UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

ANLISE DE EFEITOS DE TESTE HIDROSTTICO EM VASO DE PRESSO

Dissertao submetida

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

para a obteno do grau de

MESTRE PROFISSIONAL EM ENGENHARIA MECNICA

JORGE DOS SANTOS PEREIRA FILHO

FLORIANPOLIS, NOVEMBRO DE 2004

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

ANLISE DE EFEITOS DE TESTE HIDROSTTICO EM VASO DE PRESSOJORGE DOS SANTOS PEREIRA FILHOEsta dissertao foi julgada adequada para a obteno do ttulo de MESTRE PROFISSIONAL EM ENGENHARIA ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECNICA sendo aprovada em sua forma final.

___________________________________________________________________________ Prof. Edison da Rosa, Dr. Eng., Orientador ___________________________________________________________________________ Prof. Jlio Csar Passos, Dr., Coordenador do Curso Banca examinadora:

Prof. Acires Dias, Dr. Eng. (Presidente)

Prof. Paulo de Tarso Rocha Mendona,Ph.D.

Prof. Pedro Amedeo Nannetti Bernardini, Dr. Eng.

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A fora da alma no basta sem o conhecimento da verdade Ren Descartes

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memria de meu pai, que sempre me incentivou a pensar e a estudar; a minha me (Tieta) e minha irm (Silvana) por serem grandes mulheres e me darem grandes exemplos de vida; a minha esposa (Anglica) pelo sempre carinho, entendimento e compreenso; aos meus filhos Pedro e Gabriel, tambm participantes desta minha empreitada...

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AgradecimentosA oportunidade de participar desta turma do mestrado surgiu atravs do convite de Amilcar Sales, antigo colega de trabalho da Copene/Braskem, empresa que organizou o curso. Agradeo grandemente a ele pela oportunidade que me foi dada. Durante a elaborao da dissertao, tive a ajuda de colegas e profissionais do CIMATEC (entidade que abrigou grande parte das aulas do mestrado), como Alexandre Paes, Lus Alberto Breda e Mrcio Melo, sem a qual no teria conseguido dar a largada. Outro colega de mestrado, Thomas Hutchinson, me auxiliou a desvendar alguns mistrios da aplicao do software de elementos finitos. Agradecimentos tambm a Pedro Feres Filho (PASA), que aps muitos anos de conversas e trocas de experincias sobre testes hidrostticos, sem saber me inspirou na escolha do tema, e a Guilherme Donato e Ediberto Tinoco (Petrobrs/Cenpes), tambm colaboradores indiretos com envio de textos e troca de informaes. Devo agradecimentos ainda COOINSP, empresa parceira, atravs de Hamilton Santos Filho, e a Fernando Neves, Geraldo Barreto e Jorge Mascarenhas, pela compreenso e apoio dado durante meu afastamento parcial do trabalho nestes tempos de dissertao. Ao meu orientador, Prof. Edison da Rosa, devo agradecimentos especiais, pois atravs de suas aulas me fisgou para desenvolver o tema da Mecnica da Fratura e foi um grande incentivador do trabalho. Seu empenho, sua capacidade, bom humor, simplicidade no ofcio do ensino, e ateno dedicada ao meu trabalho durante as minhas visitas a Santa Catarina por certo foram responsveis pelos resultados. Ao corpo docente do mestrado da UFSC e a Jlio Passos, nosso coordenador, que tambm muito me incentivou neste trabalho, o meu agradecimento.

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ResumoObjetiva-se analisar a propagao subcrtica e crtica de descontinuidades durante a execuo de testes hidrostticos em vasos de presso. Considera-se principalmente o teste hidrosttico peridico, originado de requisitos legais, e presses de teste da ordem de 1,5 vezes a presso mxima admissvel. Duas situaes distintas foram consideradas, para permitir uma maior abrangncia de anlise: a primeira, representada por um vaso de presso fabricado em ao carbono, no sujeito a mecanismos de danos durante a sua vida operacional, e contendo um defeito de fabricao do tipo falta de fuso em um bocal; a segunda representada por uma coluna de processo fabricada em ao inoxidvel austentico, que foi submetida a corrososob-tenso sob isolamento, e apresentou trincas ramificadas na superfcie metlica. A anlise se desenvolveu pela verificao da estabilidade e clculo dos parmetros relacionados integral J. Para tanto, utilizou-se de documentos como a BS-7910 e API 579, alm de formulaes para clculo de J. As tenses foram calculadas pelo mtodo dos elementos finitos, resultando na linearizao das mesmas na seo de interesse. Tambm foi avaliada a propagao por fadiga e corroso-sob-tenso combinadas, e tambm pelo critrio leak before break. Verificou-se que no caso do vaso de ao carbono no houve qualquer propagao, enquanto que no caso da coluna de ao inoxidvel houve propagaes para as maiores profundidades de trincas, durante o teste hidrosttico. As concluses resultantes deste trabalho esto relacionadas a haver ou no alguma alterao durante o teste hidrosttico peridico em relao ao teste hidrosttico original, realizado aps a fabricao. O fluxograma desenvolvido caracteriza os aspectos determinantes de uma possvel propagao, devendo ser utilizado previamente realizao de um teste hidrosttico peridico. Palavras chave: 1. Teste Hidrosttico 2. Crescimento Subcrtico de Descontinuidade 3. Mecnica da Fratura 4. Vasos de Presso

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AbstractThe objective of this dissertation is to evaluate the possibility of sub critical and critical crack growth during the execution of hydrostatic tests in pressure vessels. It is mainly considered the execution of recurrent hydrostatic tests, due to legal requirements, and test pressure of about 1,5 times the maximum allowable working pressure. Two different cases were considered to allow a wider scope of analysis: first, a carbon steel pressure vessel, that was not subjected to damage mechanisms during its operational life, and containing a lack of fusion defect in a nozzle weld; the second case consists of a stainless steel process column that had been subjected to stress corrosion cracking underneath the thermal insulation, resulting in branched cracking in a wide surface. The analysis was developed by the verification of the stability of defects in both cases, and the use of J integral. It was used documents like BS-7910, API-579 and other formulations necessary for J calculations. The stresses were determined by the use of finite element method, resulting in stress linearization on the section of interest. It was also evaluated fatigue and stress corrosion cracking propagation and leak before break criteria. It resulted that in the case of the carbon steel vessel there was no propagation, while in the case of the stainless steel column there were propagation for the deepest cracks during the hydrostatic test. The resultant conclusions are related to the existence or not of alteration on conditions of the recurrent test compared to the original one, executed after fabrication of pressure vessels. The developed flow chart highlights the determinant aspects for the occurrence of propagation during recurrent hydrostatic tests, and shall be used prior to executing it. Key words: 1. Hydrostatic test 2. Sub critical crack growth 3. Fracture Mechanics 4. Pressure Vessels

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Descarregamento elstico aps a ocorrncia de escoamento localizado, aps a aplicao do TH........................................................................................................................23 Figura 2.2 Aplicao de uma tenso inferior de TH...........................................................23 Figura 2.3 Aplicao de uma tenso superior de TH..........................................................24 Figura 2.4 Relao entre tenso nominal e tamanho crtico de trinca...................................28 Figura 2.5 Diagrama para determinao de abordagem adequada da mecnica da fratura...30 Figura 2.6 - Curva FAD BS-7910 e API RP579 ......................................................................31 Figura 2.7 Crescimento subcrtico de descontinuidade at um valor crtico.........................33 Figura 2.8 Curva tpica de J X a para o AISI 304...............................................................34 Figura 2.9 Grfico de teste de integral J, caracterizando o blunting ou o CSCD ..............35 Figura 2.10 Grfico da curva R .............................................................................................36 Figura 2.11 Caractersticas da curva de taxa de crescimento de trinca de fadiga .................37 Figura 2.12 Grfico de propagao de trincas de CST..........................................................39 Figura 2.13 Variao do valor de K e estgio de CST ..........................................................40 Figura 3.1 Detalhe da geometria do bocal e da descontinuidade ..........................................44 Figura 3.2 Vista da conexo pelo lado interno, mostrando a descontinuidade do tipo falta de fuso .........................................................................................................................................45 Figura 3.3 Detalhe da geometria do costado da coluna.........................................................47 Figura 3.4 Foto mostrando regio da coluna afetada por CST, vendo-se as marcas de trincas superficiais ramificadas ............................................................................................................48 Figura 4.1 Detalhe da geometria do bocal, apresentando a posio da trinca com profundidade de 19 mm............................................................................................................52 Figura 4.2 Malha em torno da ponta da trinca.......................................................................53 Figura 4.3 - Mapeamento das tenses no eixo X, modelo sem trinca, e seo da trinca sujeita anlise .......................................................................................................................................54 Figura 4.4 Distribuio de tenses na seo de propagao da trinca (modelo sem trinca) .54 Figura 4.5 Mapeamento das tenses no eixo X, modelo com trinca .....................................55 Figura 4.6 Detalhe do mapeamento das tenses no eixo X, ponta da trinca .........................56 Figura 4.7 Linearizao da distribuio de tenses...............................................................58 Figura 4.8 Distribuio e linearizao das tenses na seo da trinca ..................................58 viii

Figura 4.9 - Modelo de placa com trinca de comprimento infinito..........................................60 Figura 4.10 Curva FAD e pontos plotados (BS-7910) ..........................................................62 Figura 4.11 Distribuio de tenses e linearizao CASO IV ...........................................63 Figura 4.12 Distribuio de tenses e linearizao CASO V.............................................64 Figura 4.13 Curva FAD e pontos plotados (API RP579) ......................................................65 Figura 4.14 Curva FAD para os cinco casos avaliados .........................................................66 Figura 4.15 Caractersticas das descontinuidades e geometria adotada para a anlise .........69 Figura 4.16 - Curva J-R para o AISI 304 .................................................................................74 Figura 4.17 JTOTAL X Tamanho de trinca...............................................................................75 Figura 4.18 Crescimento das trincas aps aplicao de presso normal de TH....................76 Figura 4.19 JTOTAL X Tamanho de trinca...............................................................................78 Figura 4.20 Crescimento das descontinuidades aps aplicao do TH com mxima presso ..................................................................................................................................................78 Figura 4.21 Curva FAD para duas condies de TH.............................................................80 Figura 4.22 Propagao combinada por CST e fadiga com presso normal de TH..............82 Figura AP2.1 Forma geral do modelo sem trinca, composto por uma nica rea...............106 Figura AP2.2 Malha gerada na regio do flange e chapa de reforo da conexo, modelo sem trinca .......................................................................................................................................106 Figura AP2.3 Mesma posio da figura anterior, mostrando as tenses no eixo X resultantes e deformada, modelo sem trinca.............................................................................................107 Figura AP2.4 Seo da trinca, apresentando a distribuio de tenses no eixo X em escala de cores, modelo sem trinca ...................................................................................................107 Figura AP2.5 Detalhe da regio da seo da trinca entre a chapa de reforo e material do costado, modelo sem trinca ....................................................................................................108 Figura AP2.6 Malha gerada na regio do flange e chapa de reforo da conexo, modelo com trinca .......................................................................................................................................108 Figura AP2.7 Detalhe da malha gerada com elementos singulares em torno da ponta da trinca .......................................................................................................................................109 Figura AP2.8 Mesma posio da figura AP2.6, mostrando as tenses resultantes e deformada, modelo com trinca ...............................................................................................109 Figura AP2.9 Detalhe da regio da trinca, modelo com aplicao de presso nas faces da trinca .......................................................................................................................................110

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Figura AP2.10 Detalhe da regio da trinca, modelo sem aplicao de presso nas faces da trinca .......................................................................................................................................110 Figura AP3.1 Slido de revoluo apresentando trinca, gerado a partir de elementos axissimtricos .........................................................................................................................111

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LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1 - TENSES ADMISSVEIS SEGUNDO O ASME SECO VIII DIV. 1 .......14 TABELA 2.2 - TENSES DE REFERNCIA, ASME SEC VIII DIV. 1, ANTERIOR EDIO 2000 (EM MPa)........................................................................................................15 TABELA 2.3 - TENSES ADMISSVEIS (STRESS INTENSITY) SEGUNDO A ASME DIVISO 2...............................................................................................................................20 TABELA 2.4 - TENSES DE REFERNCIA, ASME SEC VIII DIV 2, EDIO 2000 (EM MPa) .........................................................................................................................................21 TABELA 3.1 - DADOS TCNICOS DO VASO DE AO CARBONO................................46 TABELA 3.2 - DADOS TCNICOS DA COLUNA DE INOX .............................................48 TABELA 3.3 - RESUMO DAS CARACTERSTICAS DOS CASOS ...................................49 TABELA 4.1 - RESULTADOS DOS FATORES DE INTENSIDADE DE TENSES OBTIDOS DO ANSYS 7.0 (SEM CORREO) ...................................................................55 TABELA 4.2 - RESULTADOS DOS FATORES DE INTENSIDADE DE TENSES CORRIGIDOS..........................................................................................................................57 TABELA 4.3 - TENSES LINEARIZADAS CONSIDERADAS (MPa) ..............................59 TABELA 4.4 - VALORES DE KR E LR (BS-7910) ................................................................61 TABELA 4.5 - TENSES LINEARIZADAS CONSIDERADAS (MPa) ..............................63 TABELA 4.6 - VALORES DE KR E LR (API RP579) ............................................................65 TABELA 4.7 - RESULTADOS DO CLCULO DE JTOTAL ...................................................67 TABELA 4.8 - CLCULO DO CRESCIMENTO DA TRINCA POR FADIGA DURANTE OS THS ...................................................................................................................................68 TABELA 4.9 - VALORES DE KI (MPa.m1/2) EM FUNO DO TAMANHO DE TRINCA ..................................................................................................................................................70 TABELA 4.10 - CRITRIOS A SEREM ADOTADOS EM FUNO DO TAMANHO DE TRINCA ...................................................................................................................................71 TABELA 4.11 - VALORES DE Jtotal (kPa.m) CALCULADOS PARA CADA TAMANHO DE TRINCA .............................................................................................................................73 TABELA 4.12 - TENSES CIRCUNFERENCIAIS DE MEMBRANA APLICADAS NA COLUNA DURANTE O TH ...................................................................................................76

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TABELA 4.13 - PARMETROS JTOTAL (kPa.m) CALCULADOS PARA MXIMA PRESSO DE TH ....................................................................................................................77 TABELA 5.1 - RESULTADOS OBTIDOS PARA KI CALCULADO A PARTIR DAS TENSES PRIMRIAS (MPa.m1/2) .......................................................................................84 TABELA 5.2 - RELAO ENTRE KI RESIDUAL E KI PRIMRIO ..................................85 TABELA 5.3 - PROPAGAO POR FADIGA E PELO BLUNTING (EM MM)............87 TABELA 5.4 - TAMANHOS CRTICOS DE TRINCA PARA FRATURA FRGIL ..........87 TABELA 5.5 - TAMANHO DE TRINCA A PARTIR DO QUAL OCORRE CSCD OU FALHA DTIL (EM MM) ......................................................................................................89

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ABREVIATURAS E TERMOS UTILIZADOS

ANSYS 7.0 Software utilizado para a modelagem e anlise de tenses de componentes estruturais, dentre outras finalidades. API American Petroleum Institute, entidade sediada nos Estados Unidos da Amrica que tem como finalidade a congregao do conhecimento na rea da indstria do petrleo, publicando vrios documentos e prticas recomendadas. Blunting Do ingls, significa arredondamento, efeito gerado durante a aplicao do carregamento na ponta da trinca. BS British Standard, entidade inglesa de padronizao e congregao de conhecimento, responsvel pela publicao de documentos e prticas recomendadas muito utilizadas no meio industrial. COD Abreviatura de crack opening displacement, do ingls, que significa o deslocamento na abertura da trinca no momento de incio de instabilidade, utilizado para caracterizar a tenacidade fratura de materiais dteis. CSCD Abreviatura do termo crescimento subcrtico de descontinuidade. EPD Abreviatura de estado plano de deformao. EPT Abreviatura de estado plano de tenso. FAD Abreviatura do ingls de failure assessment diagram, ou diagrama de anlise de falha. LBB Abreviatura do ingls de leak-before-break, que tem o significado de haver um vazamento antes que haja uma ruptura do componente. MFEL Abreviatura de mecnica da fratura elstica linear MFEP Abreviatura de mecnica da fratura elsticaplstica PMTA Abreviatura de presso mxima de trabalho admissvel Shakedown Do ingls, significa o relaxamento dos nveis de tenses residuais ou das tenses que ultrapassem o escoamento do componente, no caso em estudo, durante a aplicao do teste hidrosttico. TH Abreviatura de teste hidrosttico. WPS Abreviatura do ingls de warm prestressing, que significa o pretensionamento de um componente com temperaturas mais elevadas do que o mesmo ir operar, durante um TH. xiii

LISTA DE SMBOLOS

A = constante para clculo de fadiga a = meio comprimento da trinca a" = a/B. B = espessura C = constante para clculo de J C' = constante para clculo de propagao por CST da/dN = taxa de crescimento da trinca de fadiga, E = mdulo de elasticidade F = eficincia de junta fw = fator de correo para largura finita G = taxa de liberao de energia elstica mais plstica Gn (G0, G1, G2, G3 e G4) = fatores de ajuste para clculo de KI h = distncia da ponta da trinca at a borda, perpendicularmente ao plano da trinca h1 = fator de forma J = valor da integral J Jel = parcela elstica do J Jpl = parcela plstica do J Jtotal = Jel+Jpl. K = fator de intensidade de tenses KI = fator de intensidade de tenses (modo I) KIC = tenacidade fratura (modo I, crtica) para estado plano de deformao KII = fator de intensidade de tenses (modo II) KIP = KI calculado pelas tenses primrias KIR = KI calculado pelas tenses residuais km = fator de incremento devido ao desalinhamento, considerado igual a 1; Kmat = tenacidade fratura do material KR = KI / Kmat ktb = fator de concentrao de tenses de flexo ktm = fator de concentrao de tenses de membrana LR =ref/Sy xiv

m = constante para clculo de fadiga M = fator de correo para deformao Mb = fator de incremento dos fatores de intensidade de tenses KI Mkb = fator de incremento dos fatores de intensidade de tenses KI Mkm = fator de incremento dos fatores de intensidade de tenses KI Mm = fator de incremento dos fatores de intensidade de tenses KI n' = constante para clculo de propagao por CST n = expoente para clculo de Jpl P = Carga aplicada (em N) p = presso interna aplicada Pb = tenso primria devida flexo Pm = tenso primria de membrana PMTA = presso mxima de trabalho admissvel Po = carga de plastificao do ligamento, em N Pteste = presso de teste a uma dada temperatura Qb = tenso secundria e residual de flexo Qm = tenso secundria e residual de membrana R = raio interno do cilindro Ri = raio interno da coluna ro = raio de plastificao Ro = raio externo da coluna ro = raio da zona plastificada para estado plano de tenses S = tenso admissvel do material Samb = tenso admissvel do material na temperatura de teste Sproj = tenso admissvel do material na temperatura de projeto Sr = tenso limite de resistncia Sy = tenso limite de escoamento T temperatura de TH t = espessura do elemento Tref = temperatura de referncia Y = fator geomtrico Y (p) = fatores geomtricos e tenses principais Y (s+r) = fatores geomtricos e tenses secundrias e residuais xv

= constante adimensional = valor do COD a = incremento da trinca K = variao do fator de intensidade de tenses o = deformao especfica para tenso de escoamento, igual a Sy/E = coeficiente de Poisson = fator de interao de plasticidade = tenso nominal aplicada 0, 1, 2, 3 e 4 = fatores de ajuste para clculo de distribuio de tenses A e B = tenses linearizadas ref = tenso de referncia para clculo do LR th = tenso de membrana primria atingida durante o TH

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SUMRIO

CAPTULO 1 - INTRODUO................................................................................................1 1.1 O QUE SO OS TESTES HIDROSTTICOS (THS) ...............................................1 1.2 ASPECTOS LEGAIS DO TH NO BRASIL.................................................................3 1.3 VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS THS .......................................................3 1.4 JUSTIFICATIVA PARA O TRABALHO....................................................................4 1.5 PROPOSTA DO TRABALHO .....................................................................................5 CAPTULO 2 - REVISO BIBLIOGRFICA.........................................................................7 2.1 TESTES HIDROSTTICOS ........................................................................................7 2.1.1 THS NA FABRICAO E EM REPAROS ........................................................7 2.1.2 THS PERIDICOS...............................................................................................8 2.2 PROJETO DE VASOS DE PRESSO E TENSES ADMISSVEIS ......................12 2.2.1 CDIGO ASME SEO VIII DIVISO 1 ........................................................13 2.2.2 TENSES NOMINAIS DURANTE OS THS (DIVISO 1 DA SEO VIII) 15 2.2.3 CDIGO ASME SEO VIII DIVISO 2 ........................................................18 2.2.4 TENSES NOMINAIS DURANTE OS THS (DIVISO 2 DA SEO VIII, EDIO 2000).................................................................................................................21 2.2.5 TENSES DE PICO ATINGIDAS DURANTE OS THS .................................22 2.3 REVISO DE CONCEITOS DA MECNICA DA FRATURA ..............................25 2.3.1 BREVE HISTRICO...........................................................................................25 2.3.2 PROPAGAO CRTICA OU FRATURA FRGIL ........................................25 2.3.3 MTODO DOWLING & TOWNLEY ................................................................31 2.3.4 PROPAGAO SUBCRTICA ..........................................................................32 2.3.5 FRATURA DTIL ..............................................................................................33 2.3.6 PROPAGAO POR FADIGA MECNICA....................................................37 2.3.7 PROPAGAO POR CST ..................................................................................38 CAPTULO 3 - PROPOSTA DE TRABALHO ......................................................................42 3.1 MOTIVAO PARA O TRABALHO ......................................................................42 3.2 EQUIPAMENTOS SELECIONADOS.......................................................................43 3.2.1 VASO DE PRESSO EM AO CARBONO .....................................................44 3.2.2 COLUNA DE PROCESSO EM AO INOXIDVEL AUSTENTICO ............46 3.3 PROCEDIMENTOS DE ANLISE ...........................................................................49 3.3.1 PROCEDIMENTO DE AVALIAO DO VASO FABRICADO EM AO CARBONO.......................................................................................................................49 3.3.2 PROCEDIMENTO DE AVALIAO DA COLUNA DE PROCESSO FABRICADA EM AO INOXIDVEL AUSTENTICO .............................................50 CAPTULO 4 - DESENVOLVIMENTO E RESULTADOS ..................................................51 4.1 VASO DE PRESSO EM AO CARBONO ............................................................51 4.1.1 MODELAGEM POR ELEMENTOS FINITOS ..................................................51 4.1.2 USO DE SOLUES ANALTICAS .................................................................57 4.2 COLUNA EM AO INOXIDVEL AUSTENTICO...............................................69 4.2.1 CLCULO DO FATOR DE INTENSIDADE DE TENSES............................69 4.2.2 MECANISMO DE FRATURA............................................................................70 4.2.3 - CLCULO DE JTOTAL ..........................................................................................72 4.2.4 CLCULOS UTILIZANDO MXIMA PRESSO DE TH ..............................76 4.2.5 ANLISE DE ESTABILIDADE PELA BS-7910...............................................79 xvii

4.2.6 AVALIAO DA PROPAGAO POR CST E FADIGA...............................80 4.2.7 AVALIAO PELO CRITRIO LEAK BEFORE BREAK (LBB) ..............82 CAPTULO 5 - DISCUSSO E ANLISE ............................................................................83 5.1 GERAL........................................................................................................................83 5.2 VASO DE AO CARBONO ......................................................................................83 5.2.1 CLCULO DOS FATORES DE INTENSIDADE DE TENSES.....................83 5.2.2 RESULTADOS POR DOWLING & TOWNLEY ..............................................85 5.2.3 RESULTADOS PELA ANLISE DO JTOTAL .....................................................86 5.2.4 PROPAGAO POR FADIGA ..........................................................................86 5.2.5 CRITRIO LEAK-BEFORE-BREAK .............................................................87 5.3 COLUNA DE AO INOXIDVEL...........................................................................88 5.3.1 - CLCULO DOS FATORES DE INTENSIDADE DE TENSES E MECANISMO DE FRATURA........................................................................................88 5.3.2 RESULTADOS POR DOWLING & TOWNLEY E JTOTAL ................................88 5.3.3 PROPAGAO POR FADIGA E CST ..............................................................89 5.3.4 CRITRIO LEAK BEFORE BREAK..............................................................89 5.4 DISCUSSO FINAL ..................................................................................................90 CAPTULO 6 - VARIVEIS RELACIONADAS PROPAGAO E FLUXOGRAMA DE AVALIAO DE THS ..........................................................................................................91 6.1 VARIVEIS QUE DETERMINARO A PROPAGAO DE DESCONTINUIDADES EM THS PERIDICOS ............................................................91 6.2 ALTERAO NO TAMANHO DA DESCONTINUIDADE / TRINCA .................91 6.3 ALTERAO DAS PROPRIEDADES DO MATERIAL.........................................92 6.4 MUDANA DE GEOMETRIA..................................................................................93 6.5 FLUXOGRAMA DE ANLISE ................................................................................94 6.6 SOBRE PROPSITOS, VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS THS PERIDICOS.......................................................................................................................95 6.6.1 OCORRNCIA DE VAZAMENTO ...................................................................95 6.6.2 NO OCORRNCIA DE VAZAMENTO..........................................................96 CAPTULO 7 - CONCLUSES..............................................................................................97 7.1 CONCLUSES VASO DE AO CARBONO........................................................97 7.2 CONCLUSES - COLUNA DE AO INOXIDVEL .............................................98 7.3 CONCLUSES GERAIS ...........................................................................................99 7.4 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS.....................................................100 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ...................................................................................101 APNDICE 1 - FLUXOGRAMA DE AVALIAO, VASO DE AO CARBONO ........105 APNDICE 2 - MODELOS E RESULTADOS OBTIDOS DA ANLISE POR ELEMENTOS FINITOS ........................................................................................................106 APNDICE 3 - COMPARAO ENTRE SOLUES PELO SLIDO AXISSIMTRICO E ANALTICA .......................................................................................................................111 APNDICE 4 - FLUXOGRAMA DE AVALIAO COLUNA DE AO INOXIDVEL ................................................................................................................................................113 APNDICE 5 - FLUXOGRAMA DE ANLISE DE APLICAO DE THS ...................114

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CAPTULO 1 - INTRODUO

1.1 O QUE SO OS TESTES HIDROSTTICOS (THs)

Vasos de presso so equipamentos que armazenam fluidos pressurizados, objetivando atender a finalidades diversas na indstria de processamento contnuo, como a indstria qumica, a petroqumica, de petrleo, ou ainda na rea nuclear, na indstria de alimentos, na gerao de energia, etc.. So diversas as aplicaes de vasos de presso, que assumem formas e tamanhos bastante variados em virtude da sua funo precpua, que a de conteno de um fluido pressurizado, sem que apresente vazamento. Testes hidrostticos (THs) ou testes de presso so aplicados em vasos de presso e outros equipamentos industriais pressurizados como tanques ou tubulaes, com o objetivo de aferir se haver ocorrncia de vazamentos ou se haver ruptura. So realizados com os equipamentos fora de servio, atravs de sua pressurizao com gua (teste hidrosttico), ar comprimido (teste pneumtico) ou outro fluido disponvel, em presses superiores s presses operacionais ou de projeto, normalmente na ordem de 1,5 vezes a PMTA. Simula-se ento uma condio operacional mais rigorosa, objetivando a garantia de que em servio normal (a presses mais baixas) no ocorrero falhas ou vazamentos. Na grande maioria das vezes utilizada a gua como fluido de teste de presso (teste hidrosttico, TH), em virtude de: grande disponibilidade em indstrias de processamento; pequena compressibilidade da gua, exige pouca energia e tempo para a elevao da presso; na possibilidade de propagao de uma fratura instvel no decorrer da pressurizao com ar ou outro fluido compressvel, pode ocorrer uma exploso com sbita liberao da energia armazenada, o que no ocorre com a gua, j que um pequeno vazamento permite uma queda brusca do carregamento aplicado. No Captulo 2 sero vistos maiores detalhes sobre o emprego dos THs, mas pode-se citar trs aplicaes tpicas, em diferentes oportunidades e com diferentes finalidades: Aps a concluso da fabricao de equipamentos, antes de seu uso;

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Periodicamente, como um meio de aferir a integridade fsica e para atendimento da legislao; Aps reparos estruturais em equipamentos, quando houve aplicao de soldagem para recomposio de partes ou sua substituio.

No Brasil, a realizao de THs peridicos em vasos de presso um requisito legal, como ser visto no item a seguir. Por ser um teste aplicado em presses acima das de operao e de projeto, sua realizao est muitas vezes relacionada a falhas, como pequenos vazamentos ou rupturas catastrficas [24] [26]. Outra possibilidade, alm da ruptura catastrfica, a de crescimento subcrtico de descontinuidades (CSCD) durante a sua realizao. Esta uma preocupao bastante freqente de engenheiros de manuteno de usinas nucleares, que adotam procedimento de aplicao de testes de hidrostticos peridicos [33], pois raramente possvel perceber sua ocorrncia e resulta que o equipamento pode voltar a operar numa condio pior que a de antes de sua realizao. Este ltimo aspecto o tema central desta dissertao e ser abordado em mais detalhes e com maior profundidade. Entretanto, a propagao crtica ou catastrfica tambm ser analisada, tendo em vista que os fatores determinantes de sua ocorrncia so semelhantes aos fatores da propagao subcrtica. As indstrias dos ramos de petrleo, qumica e petroqumica so as maiores usurias da aplicao dos THs, em virtude dos grandes inventrios de vasos de presso e tubulaes que possuem. Diferentemente das preocupaes existentes na rea nuclear, usual a realizao de testes peridicos a presses da ordem de 1,5 vezes a PMTA, mesma presso utilizada no TH inicial realizado ao trmino da fabricao, sem que haja preocupao com seus efeitos. Foram encontradas poucas publicaes relacionadas a falhas ocorridas durante THs no Brasil. Apenas uma publicao originada de um evento especializado analisa os cuidados que devem ser tomados quando o mesmo for aplicado em equipamentos que j se encontram em servio [13], analisando as configuraes de tenses e a utilizao da BS-7910 para avaliao da estabilidade durante o TH. possvel entender que falhas originadas em equipamentos recm fabricados certamente no viram notcia ou publicaes, at porque esto dentro das oficinas de empresas fabricantes. De outro lado, a prtica dos THs recorrentes iniciou-se no Brasil a partir de 1995, e no foram encontrados registros de ocorrncia de falhas de qualquer natureza durante sua 2

realizao. Algumas poucas situaes vividas ou sabidas, entretanto, permitem extrapolar suas ocorrncias a muitos outros casos e a situaes potencialmente catastrficas, que no so devidamente analisadas ou publicadas. Por este motivo, pretende-se avaliar um dos possveis aspectos danosos dos THs, especificamente o crescimento subcrtico de descontinuidades (CSCD), de modo a orientar os usurios quanto s boas prticas e cuidados que devem ser tomados.

1.2 ASPECTOS LEGAIS DO TH NO BRASIL

A NR-13 [14] exige a aplicao de THs peridicos em todos os equipamentos classificados como vasos de presso, sempre que o produto da presso mxima operacional (em kPa) pelo seu volume (em m3) seja igual ou superior a 8. Em funo da classificao pelo produto da presso pelo volume, a freqncia de THs definida. Entretanto, permitida a no realizao dos THs quando houver a possibilidade de propagao de defeitos (descontinuidades) subcriticamente, ou seja, de maneira estvel. Esta limitao no est bem definida na NR-13, ficando a critrio do Profissional Habilitado a determinao em faz-lo ou no, baseada em seu conhecimento. A definio de propagao subcrtica tambm no bem entendida. Sabe-se que praticamente todos os equipamentos possuem defeitos, que se no tem comportamento crtico, podero ter comportamento subcrtico. Isto por si s j permitiria a no realizao dos THs na grande maioria dos casos, mas resta-nos discutir a questo e avaliar o balano entre vantagens e desvantagens dos THs, e por que devem ser realizados. Alternativamente, a NR-13 reconhece a realizao dos testes pneumticos em substituio aos THs, mas aspectos relacionados segurana e dificuldades de execuo inibem a sua disseminao.

1.3 VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS THS

Com base na experincia profissional obtida ao longo de muitos anos, e tambm com base em referncias encontradas [24] [26] [33], podem a priori ser citados como possveis vantagens e desvantagens da aplicao dos THs em vasos de presso, os seguintes aspectos: 3

A) Vantagens: Importante ferramenta para confirmar a ausncia de vazamentos; Confirmao do estado de integridade e capacidade de resistir s condies operacionais normais, no momento de sua realizao; Alvio de tenses residuais de soldagem de modo a que a estrutura testada funcione mais relaxada. B) Desvantagens: Possibilidade de crescimento crtico de descontinuidade e destruio do equipamento, seja na fabricao ou aps ter sido colocado em servio; Possibilidade de crescimento subcrtico de descontinuidades pela sujeio de regies danificadas por mecanismos de danos a solicitaes mecnicas muito superiores s operacionais normais, e com isso a reduo das margens de segurana do equipamento, sem que isto seja percebido! Elevada relao custo/benefcio da sua aplicao, pois o TH apenas informa se houve vazamento ou no, no sendo uma ferramenta de inspeo. Ser vista no Captulo 2, item 2.1, uma reviso bibliogrfica relacionada aos THs. De acordo com as referncias encontradas, percebe-se que no h uma comunho de pontos de vista com respeito a sua aplicao, benefcios e riscos. Ser visto tambm, que as definies sobre sua aplicao no podem prescindir do papel dos profissionais de Manuteno das instalaes industriais, em ltima instncia os responsveis pela sua especificao e execuo. objetivo desta dissertao o entendimento das variveis preponderantes envolvidas num TH, abordando os aspectos relacionados ao CSCD e crescimento crtico.

1.4 JUSTIFICATIVA PARA O TRABALHO

As motivaes existentes para a realizao deste trabalho sero mais bem detalhadas no Captulo 3. Entretanto, como foi visto no item anterior, a realizao dos THs pode ser vantajosa ou no baseada em condies e variveis anteriormente vistas, o que ser o objeto desta dissertao. A sua prescrio como requisito legal e obrigatrio coloca em xeque os profissionais e empresas, pois a possibilidade de propagao subcrtica ou crtica de descontinuidades durante sua execuo cria certo paradoxo! Considerando 4

que a NR-13 visa proteger o trabalhador da ocorrncia de acidentes em vasos de presso, e sendo um requisito legal e normativo, no seria prudente existir esta obrigatoriedade. Ento, justifica-se este trabalho dentro do contexto de esclarecer este paradoxo. Situaes em que possam vir a ocorrer propagaes subcrticas ou crticas devem ser identificadas.

1.5 PROPOSTA DO TRABALHO

Grande parte das ocorrncias registradas na literatura ligadas a falhas de equipamentos em THs est relacionada a falhas com propagao crtica (como ser visto no captulo a seguir). Menor ocorrncia foi verificada para a propagao subcrtica. A investigao do crescimento subcrtico de descontinuidades durante a realizao de THs, objeto desta dissertao, poderia seguir por trs caminhos distintos: 1) Conduo de uma pesquisa no ambiente industrial sobre casos de ocorrncia de CSCD; 2) Levantamento de casos especficos em que descontinuidades conhecidas em um determinado equipamento se propagaram de maneira estvel aps a realizao de um TH; 3) Simular a aplicao de THs em equipamentos que apresentem descontinuidades, aplicando mtodos numricos, analticos e a mecnica da fratura, para verificar se em situaes especficas haveria propagao subcrtica nos mesmos. Na indstria de petrleo e petroqumica, onde est o maior interesse desta dissertao, no h registros ou trabalhos desenvolvidos que possibilitem a conduo de uma pesquisa. No prtica usual a inspeo de um equipamento, o mapeamento de descontinuidades, a aplicao do TH e nova inspeo para verificao de possvel crescimento subcrtico de descontinuidades. So raros os casos onde isto pode ter ocorrido, e no foi encontrada qualquer publicao a este respeito. Como j foi citado, foram encontradas publicaes de casos de rompimento crtico de equipamentos, e parece ser esta a ocorrncia visvel aos olhos dos profissionais. O maior interesse no CSCD est na rea nuclear, onde parece que em funo dos maiores riscos e exigncias, h maiores cuidados, discusses e publicaes. Desta forma, no seria adequado partir 5

na direo dos itens 1) ou 2) acima caracterizados para determinar os fatores que levam ao CSCD durante um TH. Restou a alternativa 3), simulao da aplicao do TH em equipamentos existentes que possuam descontinuidades. Foram escolhidas duas situaes distintas para anlise: 1) Um vaso de presso fabricado em ao carbono comum, que possui um defeito de fabricao do tipo falta de fuso em um bocal. 2) Uma coluna fabricada em ao inoxidvel austentico que sofreu processo de corroso-sob-tenso sob o isolamento trmico, gerando trincas finas em extensa regio do costado. No Captulo 3 Proposta de Trabalho sero detalhadas as duas situaes, os motivos que levaram a sua escolha e o procedimento utilizado.

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CAPTULO 2 - REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 TESTES HIDROSTTICOS

Os THs definidos pelo ASME [9] so caracterizados como prova de carga que solicita os vasos de presso em tenses superiores s tenses estabelecidas nas condies de projeto, sendo realizados atravs da aplicao de uma presso hidrosttica, geralmente utilizando a gua como fluido de pressurizao. Espera-se que com a sobrevivncia do equipamento a esta presso elevada, o mesmo esteja apto a desempenhar sua funo operacional com segurana, sob condies menos severas. Os THs so obrigatrios aps a concluso da fabricao de vasos de presso, e tambm em equipamentos que j esto em servio, pela exigncia da legislao em muitos pases. Sero vistas nos subitens a seguir caractersticas que distinguem estas duas aplicaes.

2.1.1 THs na Fabricao e em Reparos So sabidas duas finalidades bsicas dos THs realizados aps a fabricao de vasos de presso ou aps reparos nos mesmos: a garantia da a ausncia de vazamentos e da integridade (resistncia) global do conjunto. Sabe-se tambm que operaes de soldagem durante a fabricao ou reparos de equipamentos so realizadas com graus de restrio que resultam em tenses residuais nas proximidades dos cordes de solda, podendo atingir valores da ordem da tenso de escoamento, conforme informam as prticas recomendadas BS-7910 [15] e API RP579 [5]. Ocorrem tambm descontinuidades caractersticas da soldagem que agem como concentradores de tenses, conforme mostrado por Barsom e Rolfe [10]. Considera-se que estas tenses concentradas, por tambm terem uma caracterstica auto limitante, so da ordem da tenso de escoamento dos materiais unidos pela soldagem, conforme citado em artigo da NASA [24]. A aplicao do primeiro TH aps a fabricao tem como resultado o rearranjo destas tenses residuais, pela ocorrncia de pequenas deformaes localizadas, levando a estrutura a um mais baixo nvel de tenses residuais e, em pequenas regies, tenses elsticas de compresso. Esta outra importante finalidade do TH, o alvio geral de tenses da estrutura (vide item 2.2.5). Um equipamento testado, estar menos susceptvel a estados complexos de tenses, que muitas vezes originam 7

um estado plano de deformao, como tambm menos susceptvel corroso-sobtenso, por estar submetido a tenses compressivas residuais em regies especficas. Em situaes onde no haja plastificao significativa por conta das propriedades dos materiais, poder haver uma fratura instvel caso haja um defeito maior que o admissvel para as condies de teste [24]. , inclusive, possvel calcular o tamanho de defeito residual num equipamento que sobreviveu aplicao do TH, a partir de sua tenacidade fratura e geometria. Torna-se importante nesta situao especificar o tamanho mximo de defeito admissvel de maneira a no se vir a danificar um vaso de presso durante seu TH inicial. Isto pode ser feito com um adequado controle da qualidade e execuo de reparos nos casos onde os defeitos ultrapassarem o valor limite. Dois casos de ocorrncia de fratura frgil durante o TH inicial relatados por Hayes [26], foram devidos baixa temperatura do fluido de teste, resultando na destruio dos equipamentos antes mesma de ser concluda a fabricao. Isto chama a ateno para um importante aspecto relacionado ao TH: o econmico. Resumindo, um equipamento projetado e fabricado de acordo com o ASME, e que sofreu um TH aps sua fabricao ou reparo com soldagem, ter maior garantia de integridade durante sua vida til e estar imunizado contra determinados tipos de danos relacionados a estados de tenses. Entretanto, efeitos indesejveis podem resultar do TH inicial, como por exemplo, a fratura frgil. 2.1.2 THS Peridicos A realizao de THs peridicos em vasos de presso uma prtica utilizada em alguns pases. No Brasil, por exemplo, um requisito legal e est amparado pela NR-13 [14]. Possui como finalidade bsica a aferio da estanqueidade e a garantia da integridade, partindo do princpio de que se for realizada uma prova de carga, com aumento das solicitaes mecnicas, haver uma garantia de continuidade operacional durante um determinado tempo. Tem-se por prtica na indstria, a utilizao do mesmo carregamento usado no TH inicial do equipamento aps sua fabricao, nas condies especificadas pelo ASME. Entretanto, tambm existe a prtica de estabelecimento de presses mais baixas para a sua realizao dentro desta finalidade, para evitar possveis efeitos nocivos do TH, conforme citado por Njo [33] em uma compilao de prticas de unidades nucleares da Europa.

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Devido dificuldade em obter garantias de integridade em estruturas testadas hidrostaticamente ao longo do tempo, e possibilidade de crescimento subcrtico de descontinuidades durante o TH, alternativas de inspeo tm sido propostas em substituio da pressurizao, a exemplo do trabalho elaborado por Yasinko et alii [40] para justificar o uso da tcnica de pig ultrassnico. Em outra situao semelhante, um vago de trem rompeu contendo 30.000 gales de cido sulfrico imediatamente aps sua manuteno e inspeo, quando foi testado hidrostaticamente. Isto foi publicado pelo National Transportation Safety Board [31], e foi analisado por comisso designada pelo governo federal americano. Uma das concluses chegadas foi que o TH no eficiente para identificar determinados tipos de danos, e que outros ensaios devem ser utilizados. Em recente trabalho publicado no Brasil [13], Borges reconhece a importncia de se analisar a aplicao de um TH peridico, tendo em vista a possibilidade de propagao de descontinuidades desde que haja a atuao de mecanismos de danos. Ao mesmo tempo, reconhece que na ausncia destes mecanismos, o TH ser uma mera repetio do primeiro feito aps a fabricao. A sobrevivncia a um TH caracterizar um tamanho de defeito crtico que ser funo da tenacidade do material na condio de teste (KIC), geometria do componente onde se encontra a descontinuidade e tenso resultante da aplicao da presso. Em condies de servio normais os tamanhos crticos aceitveis sero superiores aos calculados para a condio de TH gerando um conforto operacional temporrio, pois as descontinuidades remanescentes podero vir a propagar por mecanismos de fadiga, CST ou fluncia, que so dependentes do tempo (e das demais caractersticas especficas envolvidas) vindo a se aproximarem do tamanho crtico estabelecido na condio de TH. THs realizados em equipamentos que operem em temperaturas inferiores s temperaturas em que foram testados (temperatura ambiente, por exemplo) podero resultar em pouca informao se no houver uma avaliao da tenacidade do material em ambas condies. No caso contrrio, situao em que os THs podero estar sendo realizados em condies muito mais severas que a operacional (temperaturas muito baixas), mais freqente verificarem-se falhas catastrficas. Outro fato relevante a possibilidade de que transientes trmicos e de presso podem solicitar um equipamento em condies superiores do TH. Um terceiro caso de falha por ocorrncia de fratura frgil relatado por Hayes [26], foi verificado durante um TH peridico em um tubulo de uma caldeira. A exemplo dos dois casos relatados anteriormente, a fratura frgil foi 9

devida associao da pressurizao com gua a baixa temperatura e a ocorrncia de um carregamento sbito no previsto. Segundo Njo [33], o principal argumento contra a prtica de THs peridicos a possibilidade de CSCD, quando uma descontinuidade de grandes propores estiver presente e o equipamento sendo testado no patamar superior de tenacidade, pois certamente voltaria a operar em pior situao do que antes. Em materiais dteis, tornase possvel a propagao subcrtica de descontinuidades durante o TH, devido a um envelhecimento (strain ageing) localizado, com a deteriorao da integridade do equipamento sem que sejam deixadas pistas. Cowan e Picker [16] concluem que os THs iniciais executados aps a fabricao trazem grandes benefcios ao equipamento, enquanto que os THs peridicos podem elevar os riscos de falha desnecessariamente caso as propriedades dos materiais sejam desconhecidas. J Formby [23] sugere que a utilizao dos THs se d com maior certeza do que qualquer outra tcnica para a garantia da ausncia de defeitos de um determinado tamanho crtico. Um TH aplicado em equipamento sujeito a danos por fadiga pode dar uma garantia da quantidade de ciclos operacionais que o mesmo poder vir a ser sujeito sem apresentar falhas, partindo (no sentido inverso) de um tamanho mximo de descontinuidade possivelmente existente. A determinao deste prazo de que no haver falhas ter maior garantia para materiais de menor tenacidade, e vice-versa, j que o mecanismo de propagao esperado durante o TH por fratura frgil. O TH, segundo Formby, uma forma indireta de avaliar a vida em fadiga. Por fim, considera que diversos casos de falhas catastrficas tm sido presenciados em THs, diferentemente de falhas em servio. Isto poderia caracterizar os efeitos positivos do TH! Ainda segundo Formby, tanto o TH quanto o uso de ensaios-no-destrutivos so ferramentas complementares na garantia da integridade do equipamento. Enquanto os ensaios-no-destrutivos so mais confiveis quando os tamanhos crticos so grandes, o TH so mais confiveis quando os tamanhos crticos de descontinuidades so menores. Nichols, em trabalho anterior [32], havia evidenciado que os THs so instrumentos para retardar a propagao por fadiga. Ainda no estudo conduzido por Njo e citado anteriormente [33], foram relacionados pases da Europa que operam centrais nucleares, e que no tm um objetivo definido com o uso do TH peridicos. Alguns pases adotam os THs como teste de estanqueidade, outros, explicitamente como um teste de integridade. Neste estudo, ficou 10

evidenciado que estes pases no consideram aspectos relacionados a mecnica da fratura. Muitos deles adotam presses de teste ligeiramente acima da presso operacional. Alguns outros, adotam presses de teste baseadas na presso de projeto. O estudo tambm considera que h risco de crescimento subcrtico de descontinuidades e a reduo das margens de segurana dos equipamentos com a realizao do TH, caso as propriedades e estado de tenses no componente assim permitam. Chell e Haigh [16] consideram que o TH a nica tcnica que pode permitir dar a garantia de que no existiro trincas que possam afetar a integridade de equipamentos antigos e submetidos a danos, por haverem limitaes no emprego dos ensaios-nodestrutivos. Pequenas deformaes ocorridas pelo escoamento localizado podem levar a um envelhecimento por deformao (strain ageing), que ocorre a temperaturas ambientes ou ligeiramente elevadas em aos de baixo carbono. Este envelhecimento resulta em aumento de propriedades mecnicas e perda de tenacidade e dutilidade. Os cuidados para com este tipo de envelhecimento so bvios, pois as condies existentes no TH realizado aps a fabricao no se repetiro aps o seu uso, e uma descontinuidade poder tornar-se crtica com a queda localizada da tenacidade. O uso de pr-tensionamento a quente (warm prestressing - WPS), que a aplicao inicial de tenso de teste em temperatura acima da temperatura na condio de servio, permite um ganho de tenacidade nesta ltima condio. Entretanto, o WPS s deve ser aplicado sob certas condies: 1) O mecanismo de trincamento em servio deve ser por clivagem (material operando no patamar inferior de tenacidade). 2) Houve um aumento das propriedades mecnicas como o limite de resistncia por envelhecimento. 3) No deve haver crescimento subcrtico da descontinuidade aps a aplicao do WPS. O WPS tem por objetivo melhorar (aliviar) adequadamente a distribuio de tenses em regies de descontinuidades em condies de maiores tenacidade e dutilidade, para os casos em que equipamentos iro operar em regio de clivagem. A aplicao do WPS permite um provvel arredondamento de ponta de descontinuidades, o que no seria possvel em condies normais de teste ou de operao. Ainda de acordo com Chell [17], o WPS trar evidentes benefcios em situaes que acarretem apenas pequenas reas com escoamento e deformaes localizadas. O crescimento subcrtico de 11

descontinuidades no afetar o benefcio do WPS se estiver restrito a pequenas propagaes dentro do campo da zona compressiva de escoamento na ponta da trinca. Caso o crescimento subcrtico leve a uma propagao superior a este campo de escoamento, possvel ocorrer uma fratura em servio aps o WPS. Ensaios de emisso acstica tm sido utilizados durante a pressurizao [25] [28] como uma ferramenta para identificar a propagao de descontinuidades durante a execuo de um TH, muitos realizados a presses inferiores s definidas pelo cdigo de projeto. Moreton e Moffat [30] analisaram o efeito dos testes de presso em tampos de vasos de presso que haviam sido submetidos a testes de shakedown. Concluram que deformaes incrementais cclicas que foram observadas durante a operao, no mais ocorreram aps a aplicao de um teste de presso. Isto significa dizer que em situaes em que haja crescimento incremental pela aplicao das condies operacionais, o TH trar o benefcio de impedir estas deformaes.

Tendo em vista as referncias consultadas nesta reviso, pode ser concludo que:

A) H a possibilidade de ocorrncia de fratura frgil durante um TH inicial ou peridico. B) Tambm h a possibilidade de CSCD durante o mesmo TH. C) Variveis como a tenacidade fratura, mecanismos de danos, temperatura de teste e sobrecargas so fatores de relevncia durante a aplicao de um TH peridico. D) As combinaes de tenses, tenacidades fratura e temperaturas de operao e testes, podem determinar os resultados em termos do tipo de propagao verificados durante um TH peridico. E) O uso de tcnicas de inspeo de equipamentos possui papel de grande relevncia quando utilizadas antes dos THs, pois podem identificar a presena de deterioraes que podem influenciar no seu resultado.

2.2 PROJETO DE VASOS DE PRESSO E TENSES ADMISSVEIS

O projeto de vasos de presso conduzido por normas internacionalmente aceitas como o cdigo ASME (American Society of Mechanical Engineers) para caldeiras e vasos de 12

presso, a BS-5500 (British Standard), A.D. Merkblatter (norma alem), etc. O cdigo do ASME para caldeiras e vasos de presso [9] subdividido em sees e divises, que abordam o projeto, fabricao, materiais, recomendaes operacionais, ensaios e controle da qualidade e testes, sendo o cdigo mais utilizado no Brasil. Tendo em vista que os equipamentos objeto de estudo nesta dissertao foram projetados pela Diviso I da Seo VIII do ASME Boiler and Pressure Vessel Code, a abrangncia ser restrita a este cdigo. Os itens a seguir permitiro uma reviso sobre aspectos fundamentais do projeto de vasos de presso.

2.2.1 Cdigo ASME Seo VIII Diviso 1 A Diviso 1 adota a filosofia de projeto baseado em regras (design by rule), o que significa dizer que qualquer equipamento projetado por esta diviso utilizar as mesmas regras e frmulas de clculo [12]. Em outras palavras, o projeto feito de maneira padronizada e no requer anlise pormenorizada das condies a que estaro sujeitos os equipamentos, no sendo baseado em anlise detalhada de tenses. Admite-se que elevadas tenses podem existir localizadamente, entretanto as regras e tenses admissveis foram estabelecidas para limit-las a um nvel seguro. Os desvios que possam vir a ocorrer, relacionados ao projeto, fabricao e condies operacionais sero absorvidos (cobertos) por um fator de segurana suficientemente grande para atender a esta finalidade [9]. O pargrafo UG-23(c) da Diviso 1 descreve precisamente a filosofia de projeto: A espessura de parede de um vaso de presso dimensionado de acordo com as regras estabelecidas nesta diviso deve ser tal que a tenso mxima primria geral de membrana, resultante dos carregamentos a que esteja sujeito o equipamento durante a sua operao normal no exceda os limites de tenso admissvel do material do vaso e que, excetuando-se alguns casos especiais, os carregamentos a que esteja sujeito o vaso no provoque uma tenso primria de membrana mais flexo superior a 1,5 da tenso mxima admissvel do material do vaso. A definio das tenses reais aplicadas e dos fatores de segurana utilizados por esta diviso est diretamente relacionada aos valores das tenses admissveis. Assim, tendo sido selecionado o material a ser utilizado em um determinado projeto, as tenses 13

admissveis (que so uma funo da temperatura) tero introduzidas nelas fatores de segurana relacionados s tenses de escoamento e ruptura do material. A Tabela 2.1 permite visualizar os valores das tenses admissveis em funo das tenses de escoamento e ruptura dos materiais [9]:

TABELA 2.1 - TENSES ADMISSVEIS SEGUNDO O ASME SECO VIII DIV. 1 Tenso Admissvel O menor valor entre Antes da Edio 2000 Sr/4 2/3 Sy Onde: Sr Sy Limite de resistncia na temperatura de referncia Limite de escoamento na temperatura de referncia Edio 2000 Sr/3,5 2/3 Sy

Obs: valores aplicveis para temperaturas abaixo do limite de fluncia

A depender do critrio de projeto adotado, a falha pode se dar por ruptura dtil, incio de escoamento ou plastificao generalizada, dentre outras formas [19]. Para cada uma dessas formas haver um fator de segurana, que pode ser facilmente calculado pelo inverso dos fatores aplicados sobre as tenses de limite de resistncia e escoamento respectivamente. Os valores de tenso admissvel foram incrementados a partir da edio de 2000, significando uma reduo dos fatores de segurana relacionados tenso de ruptura de 4 para 3,5. O valor do fator de segurana relacionado ao escoamento no sofreu alterao com a nova edio do ASME. Os materiais que sero estudados nesta dissertao possuem as seguintes tenses como referncia (Tabela 2.2):

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TABELA 2.2 - TENSES DE REFERNCIA, ASME SEC VIII DIV. 1, ANTERIOR EDIO 2000 (EM MPa) Material Limite de Resistncia (Sr) ASTM A-285 GrC ASTM A-106 GrB ASTM A-240 TP304L (*) Temperatura ambiente 379,3 413,79 482,7 Limite de Escoamento (Sy) 206,9 241,38 172,4 Tenso Admissvel (*) 95,2 103,4 114,93

Os valores de tenses admissveis obtidos para estes materiais possuem referncias distintas, pois: A) A tenso admissvel para o A-285 GrC e A-106 GrB so uma funo do limite de resistncia (Sr/4); B) Para o A-240 TP304L, uma funo do limite de escoamento (2/3 Sy). Verifica-se ento que os fatores de segurana em relao ao limite de resistncia e escoamento so distintos para os dois materiais (4, 4 e 4,2 para o limite de resistncia e 2,17, 2,34 e 1,5 para o limite de escoamento respectivamente). Outro aspecto a se observar que os valores de tenso limite de resistncia e de escoamento estabelecidos na Tabela 2.2 so valores mnimos exigidos, devendo ser, na prtica, ligeiramente superiores aos valores considerados.

2.2.2 Tenses Nominais Durante os THs (Diviso 1 da Seo VIII) A aplicao dos THs se d com referncia nos valores de presso de projeto ou PMTA. Antes da edio de 2000, os THs eram aplicados por determinao do cdigo ASME com 1,5 vezes a PMTA, aplicando fator de correo para a temperatura de teste, como a seguir:

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Pteste = 1,5 PMTA(

S amb ) S proj

(2.1)

onde, Pteste = presso de teste a uma dada temperatura PMTA = presso mxima de trabalho admissvel Samb = tenso admissvel do material na temperatura de teste Sproj = tenso admissvel do material na temperatura de projeto Observao: a partir da edio do ano 2000, o valor passou a 1,3 vezes a PMTA, com a mesma correo para a temperatura de teste. O clculo da PMTA se dar, para a tenso primria de membrana, pela frmula a seguir.

PMTA =

SFt R + 0, 6t

(2.2)

onde, PMTA = presso mxima de trabalho admissvel, referente tenso primria de membrana S = tenso admissvel do material F = eficincia de junta t = espessura real R = raio interno do cilindro (caso a geometria seja cilndrica) Esta relao nos garante que ao ser aplicada uma presso igual PMTA no equipamento, a tenso de membrana resultante atingir exatamente a tenso admissvel, e vice versa. O que acontecer ento quando for aplicada uma presso de TH? Que nvel de tenso ser atingido na membrana do equipamento? A aplicao de fatores de 1,5 (ou 1,3 para equipamentos projetados pela edio 2000) sobre as estruturas projetadas para operar nas tenses admissveis poder resultar em duas situaes distintas:

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1a) Quando a tenso admissvel (a exemplo do ao carbono A-285 GrC e A-106 GrB) for uma funo da tenso de limite de resistncia mnima, a tenso de membrana resultante ficar abaixo da tenso de escoamento. 2a) Quando a tenso admissvel (a exemplo do ao inoxidvel A-240 TP304L) for uma funo da tenso de escoamento mnima, a tenso de membrana resultante durante o TH ser muito prxima (ou igual) tenso de escoamento, pois

th = 1,5 S y = S y

2 3

(2.3)

onde, th = tenso de membrana atingida durante o TH Sy = tenso mnima de escoamento. Entretanto, na grande maioria dos casos existem folgas quando projetado um equipamento pelo ASME, devido a: Adio de uma sobrespessura para corroso, que no faz parte da espessura requerida; quando a presso de TH for estabelecida em funo da presso de projeto, poder haver uma folga significativa; Os limites de escoamento especificados pelas normas de fabricao so valores mnimos, sabendo-se que, na prtica, os aos utilizados tero tenses de escoamento maiores que as especificadas; Utilizao de fator de eficincia de junta menor que 1,0, para compensar a inspeo parcial em cordes de solda, eleva a espessura requerida sem elevar a PMTA; metais de solda tero uma anlise parte, j que possuem propriedades mecnicas distintas s dos materiais base; Aquisio de chapas dentro de espessuras comerciais geralmente conferem construo uma sobrespessura adicional espessura requerida. Por fim, apesar das possveis folgas existentes, foi visto que o projeto por esta Diviso, baseado em regras, permite a aproximao e localizadamente a suplantao da tenso de escoamento, seja pelo somatrio da tenso de membrana mais flexo, seja pelas condies impostas pelo TH.

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2.2.3 Cdigo ASME Seo VIII Diviso 2 Ainda de acordo com a UG-23 da Diviso 1, e complementando o comentrio transcrito no item 2.2.1, ressaltado o seguinte: sabido que elevadas tenses localizadas e secundrias de flexo podem existir em vasos projetados e fabricados de acordo com estas regras (Diviso 1). At onde aplicvel, regras de projeto para detalhes foram desenvolvidas para a manuteno dessas tenses dentro de um nvel seguro, consistente com a experincia alcanada. Visto que a Diviso 1 estabelece a espessura de parede apenas para a manuteno da tenso de membrana dentro do limite da tenso admissvel estabelecida. No requerida a avaliao das tenses localizadas que so sabidas existir, aceitando-se apenas que o fator de segurana lhes d a devida cobertura. Os procedimentos utilizados ainda por esta Diviso so considerados conservativos para a maioria das situaes em servios convencionais, conforme citado em publicao da ASME [8], e poderia ser otimizado atravs de anlise mais avanada com o intuito de economizar-se na reduo de espessuras. Em outra situao, podero ser necessrias consideraes mais restritivas de projeto que as praticados na filosofia da Diviso 1 (design by rule) em funo da necessidade de se obter maior confiabilidade em condies severas de operao, como por exemplo, em condies de elevados ciclos de presso com possvel sujeio fadiga mecnica ou trmica, ou ainda onde as atividades de inspeo em servio se tornam de difcil execuo. Estas condies especficas resultaram na criao em 1968 da Diviso 2 da Seo VIII, que oferece um projeto alternativo de vasos de presso baseado em anlise. Como implementao sobre os procedimentos da Diviso 1, considera-se o desenvolvimento de tcnicas analticas e experimentais para a determinao mais precisa das tenses atuantes. Considera-se na Diviso 2 que diferentes tipos de tenses (membrana, flexo, pico, secundrias) possuem distintos graus de significncia e por este motivo devem ser avaliadas isoladamente. Permite utilizar tenses admissveis maiores obtendo-se espessuras de parede menores, sem a reduo da segurana. Isto possvel pela utilizao de uma melhor anlise de tenses e a utilizao de coeficientes de segurana mais racionais. Enquanto a Diviso 1 utiliza-se da teoria da mxima tenso normal para o clculo mecnico (isto porque normalmente em vasos de presso de 18

parede fina duas das tenses normais so positivas e a terceira tem mdulo muito pequeno em relao s demais, sendo a tenso normal mxima - circunferencial - igual a duas vezes a tenso cisalhante mxima), a Diviso 2 utiliza-se diretamente do critrio de Tresca, que baseado na tenso cisalhante mxima independentemente do estado de tenses encontrado. O critrio de Tresca mais preciso e adequado para a verificao de escoamento ou fadiga em metais dteis e sob solicitaes mais complexas [8]. O termo tenso admissvel (allowable stress) foi substitudo por stress intensity, que equivalente a duas vezes a mxima tenso cisalhante permitida (aplicao do critrio de Tresca). Os tipos de carregamentos considerados para o projeto por esta diviso so: presso interna ou externa, incluindo a coluna de lquido; peso do equipamento nas situaes de operao normal e de teste; cargas impostas, como peso de outros equipamentos, de isolamento trmico, de linings, e de tubulaes; cargas de vento, neve e terremotos; cargas impactantes, incluindo rpida flutuao de presses; cargas induzidas por variao de temperatura, como por tubulaes. Por este critrio de projeto adotado, os seguintes requisitos devero ser atendidos: a) a tenso de membrana primria, gerada por cargas mecnicas, excluindo descontinuidades e concentraes de tenso, no poder ultrapassar ao valor admissvel (stress intensity); b) a tenso de membrana localizada no poder ultrapassar a 1,5 vezes o valor admissvel (stress intensity); c) tenses primrias de membrana mais primria de flexo (excluindo tenses secundrias e de pico), devido a carregamentos de presso ou mecnico, no podero ultrapassar a 1,5 vezes o valor admissvel (stress intensity); d) tenses primrias de membrana mais primrias de flexo, somadas s tenses secundrias, no podero ultrapassar a 3 vezes o valor admissvel (stress intensity); deformaes

diferenciais e expanses ou contraes nas regies de suportao e apoios a

19

e) tenses de pico, somatrio das condies anteriormente descritas mais o efeito de descontinuidades, devero ser avaliadas conforme a anlise de fadiga, contida no apndice 5 do ASME Projeto Baseado em Anlise de Fadiga. Assim, os valores de tenso calculados para cada um dos casos descritos so comparados com os valores admissveis denominados de stress intensity, que so fornecidos nas tabelas de propriedades dos materiais, Seo II, parte D. Os valores de stress intensity so calculados conforme a Tabela 2.3:

TABELA 2.3 - TENSES ADMISSVEIS (STRESS INTENSITY) SEGUNDO A ASME DIVISO 2Tenso Admissvel Antes da Edio 2000 Edio 2000

O menor valor entre

Sr/3 2/3 Sy

Sr/3 2/3 Sy

Onde: Sr Sy Limite de resistncia na temperatura de referncia Limite de escoamento na temperatura de referncia

Obs: valores aplicveis para temperaturas abaixo do limite de fluncia

Considerando os materiais utilizados nas duas situaes que sero analisadas, tem-se as seguintes tenses admissveis (Tabela 2.4):

20

TABELA 2.4 - TENSES DE REFERNCIA, ASME SEC VIII DIV 2, EDIO 2000 (EM MPa)Material Limite de Resistncia (Sr) Limite de Escoamento (Sy) Tenso Admissvel (*)

ASTM A-285 GrC ASTM A-106 GrB ASTM A-240 TP304L (*) Temperatura ambiente

379,3 413,79 482,7

206,9 241,38 172,4

126,43 137,93 114,93

Os valores de tenses admissveis obtidos para estes materiais tambm possuem referncias distintas, pois: A) A tenso admissvel para o A-285 GrC e A-106 GrB so uma funo do limite de resistncia (Sr/3); B) Para o A-240 TP304L, uma funo do limite de escoamento (2/3 Sy).

2.2.4 Tenses Nominais Durante os THs (Diviso 2 da Seo VIII, Edio 2000) Considera-se que em qualquer ponto do equipamento projetado e fabricado pela Diviso 2 seja submetido a uma presso de teste que gere uma tenso de 1,25 vezes a tenso admissvel, corrigindo-se para a temperatura de projeto da mesma maneira que em 2.2.2. Assim,

th = 1, 25 S y = 0,83S y

2 3

(2.4)

onde, th = tenso de membrana primria atingida durante o TH Sy = tenso de escoamento

21

Adicionalmente, os limites mximos de tenso permitidos pela Diviso 2 durante os THs so: a) tenso de membrana (Pm) que atinja 90% da Sy na temperatura de projeto; b) tenso de membrana (Pm) mais de flexo (Pb) que atinjam: Pm + Pb 1,35 Sy, para Pm 0,67 Sy, ou Pm + Pb 2,35 Sy 1,50 Pm, para 0,67 < Pm 0,90 Sy;

2.2.5 Tenses de Pico Atingidas Durante os THs Como visto, caso as tenses de membrana representassem fielmente o estado de tenses de um equipamento projetado pelo ASME, haveria a certeza de que as tenses atingidas durante os THs jamais ultrapassariam a tenso de escoamento. Entretanto, foi visto que h o reconhecimento de que tenses localizadas originadas de descontinuidades podem existir, conforme tambm citado por Bernstein [12]. Tanto na Diviso 1, que est apoiada no projeto baseado em regras, quanto na Diviso 2 que baseada em anlise, fcil confirmar este fato. Pela Diviso 1, pode ser conduzido o raciocnio verificando que descontinuidades de diversos tipos, embora no consideradas no projeto, esto presentes devido sua geometria, pela existncia de conexes, mudanas de dimetro, descontinuidades em cordes de solda, etc.. Da mesma forma pela Diviso 2 (item 2.2.3), verifica-se que a ocorrncia de tenses de pico elevam as tenses aplicadas acima da tenso de escoamento. A aplicao de fatores de incremento de presso (1,5 para a Diviso 1 antes de 1998 - e 1,25 para a Diviso 2) levaro regies localizadas ao escoamento durante o TH, devido associao a fatores de concentrao de tenses que elevam os valores nominais de tenses calculadas pelas frmulas e critrios do ASME. No raro estes fatores podem atingir valores de 2 ou 3, sempre como uma funo da geometria [19]. A maior parte da estrutura submetida ao TH ter uma tenso de teste real inferior tenso de escoamento, entretanto, localizadamente na presena de descontinuidades e devido a tenses de pico haver escoamento (ser atingida Sy) e pequenas distores. Cordes de solda so especialmente regies que guardam defeitos resultantes da operao de soldagem e descontinuidades geomtricas com resultantes efeitos de concentrao de tenses, conforme considerado por Barsom e Rolfe [10]. Estas regies de escoamento localizado sofrero um efeito de descarga elstica de maior 22

intensidade que a carga elstica que levou at o incio do escoamento quando for aliviada a tenso resultante do TH, como pode ser visto na Figura 2.1:

Sy B C

A D

Figura 2.1 Descarregamento elstico aps a ocorrncia de escoamento localizado, aps a aplicao do TH

Observa-se que a tenso residual no ponto D, que representa a regio que escoou e descarregou elasticamente, de compresso. Se for aplicada uma nova tenso a uma presso inferior presso de TH, esta regio ser submetida unicamente a um carregamento elstico (D =>E), conforme Figura 2.2:

Sy B C E A D

Figura 2.2 Aplicao de uma tenso inferior de TH

23

Caso seja submetido a uma mesma presso de TH, a tenso resultante ser a mesma atingida durante o primeiro teste, e o ponto E ir coincidir com o ponto C. Caso a presso TH aplicada fosse superior primeira, haveria uma nova plastificao, e um aumento da descarga elstica conforme percurso DFGH na Figura 2.3:

Sy B CF E A D H -Sy G 2Sy

Figura 2.3 Aplicao de uma tenso superior de TH

O valor do descarregamento elstico no poder ser superior a 2Sy, por considerar-se que o escoamento sob compresso limitar a elevao da tenso de compresso em um material elastoplstico ideal. Esta propriedade que os materiais elastoplsticos exibem de escoar e aumentar seu regime elstico tambm chamada de shakedown (assentamento), e responsvel pela reduo das tenses residuais e manuteno de campo de tenses compressivas nas regies que sofreram a ao de concentradores de tenses. Concluindo, o TH em vasos de presso projetados pelo ASME Seo VIII Divises 1 e 2, levar a estrutura a tenses de membrana muito prximas s tenses de escoamento, enquanto que, devido a tenses de flexo e a fatores de concentrao de tenses haver escoamento localizado. Estas regies ficaro sujeitas a tenses residuais de compresso aps o descarregamento, em valores superiores a Sy (tenso de escoamento compresso). Enquanto o equipamento no for solicitado a presses maiores, estas regies continuaro submetidas a um regime elstico mais amplo que o das regies que no apresentaram escoamento. A alterao desta condio s se dar caso o equipamento venha a ser submetido a uma solicitao maior que a do TH, ou venha a ser submetido a mecanismos de danos. 24

2.3 REVISO DE CONCEITOS DA MECNICA DA FRATURA

2.3.1 Breve Histrico A quebra de navios construdos durante a 2 Guerra Mundial chamou a ateno de pesquisadores como Irwin, Orowan e Mott, que aprimoraram os trabalhos j desenvolvidos Griffith, que em 1920 publicou um importante trabalho, associando a tenso de fratura ao tamanho da trinca [1]. No final dos anos 50, os fundamentos da Mecnica da Fratura Elstica Linear (MFEL) foram consolidados, quando tambmParis e outros pesquisadores lanaram os conceitos da aplicao da Mecnica da

Fratura fadiga. Entretanto, a plastificao na ponta das trincas e a no-validade da MFEL nesses casos levaram os pesquisadores a buscar alternativas de anlise. Irwin props uma extenso da MFEL, enquanto que Dugdale e outros propuseram modelos baseados na plastificao na extremidade da trinca. Em 1968, Rice desenvolveu o parmetro que caracteriza o comportamento no linear na ponta da trinca: a integral J, fundando a partir da a Mecnica da Fratura Elastoplstica (MFEP). Ainda nos anos 60 no Reino Unido, Wells desenvolveu o parmetro COD, que comeou a ser utilizado na anlise de fraturas em estruturas soldadas. O desenvolvimento da Mecnica da Fratura avanou rapidamente nos EUA por fora das demandas da rea nulear, enquanto que no Reino Unido, por demandas da rea offshore. Coube a Shih demonstrar existir uma relao entre a integral J, utilizada nos EUA, com o COD, mais utilizado no Reino Unido, unindo os conceitos existentes e fundando a Mecnica da Fratura nos moldes que conhecemos hoje.

2.3.2 Propagao Crtica ou Fratura Frgil Propagao crtica ou fratura frgil aquela que caracterizada por rpida propagao, levando ao rompimento e separao de sees de um componente ou equipamento, com baixa liberao de energia e sem que haja deformao plstica aprecivel. As superfcies de fratura so brilhantes, sem estrico, planas (normalmente na direo perpendicular da mxima tenso normal). D-se pela ocorrncia de baixa tenacidade do material, por estados planos de deformao ou devido a condies transientes como, por exemplo, choques trmicos. Microscopicamente em aos ferrticos, uma fratura frgil 25

apresenta relevos e arestas que caracterizam o fenmeno da clivagem, com orientao radial que aponta para a direo de ocorrncia da fratura [6]. Vasos de presso possuem descontinuidades que so inerentes aos materiais ou introduzidas durante sua fabricao, como foi visto em trabalho da NASA [24]. Assim, possvel ocorrer durante o TH inicial uma fratura frgil caso existam descontinuidades de tamanhos superiores a um tamanho crtico (acrit) [24] [26]. A possibilidade de propagao crtica em um TH peridico pode ser verificada caso haja alguma alterao na combinao dos fatores descritos quando comparados ao TH inicial. Por exemplo, o aumento de dimenso de uma descontinuidade por algum mecanismo de dano (fadiga ou CST), a utilizao de um fluido de teste muito frio, ou ento, uma queda de tenacidade devida a envelhecimento metalrgico, pode levar propagao crtica de descontinuidade num teste peridico. A informao que pode ser obtida aps a sobrevivncia a um TH o tamanho de descontinuidade remanescente no equipamento (se em EPD), j que o mesmo no sofreu de fratura instvel. Outra informao relevante que pode ser tirada de um equipamento e relacionada fratura frgil a verificao da condio de ocorrncia de vazamento antes da fratura frgil (ou, no ingls, leak before break). Este conceito largamente utilizado na rea nuclear [35] que sujeita a padres de segurana bastante restritivos, devendo este critrio ser observado durante a fase de projeto e especificao de materiais, permitindo garantir que se houver o crescimento de uma descontinuidade no material por qualquer mecanismo de dano, haver um vazamento de produto antes que possa haver uma fratura frgil. Isto significa, em outras palavras, que o tamanho crtico (acrit) de uma descontinuidade maior que a espessura do equipamento, e por este motivo nunca ser atingido, pois a ocorrncia de um vazamento antes da ruptura deflagrar imediatamente o processo de seu desligamento (do equipamento). Este critrio de projeto, se de um lado no impede a ocorrncia de um vazamento de produto, de outro lado garante que se houver um vazamento ele ser pequeno e no haver propagao crtica que pode levar a uma exploso ou grave acidente, podendo ser identificado a tempo e com conseqncias de pequeno porte. Equipamentos ou tubulaes de alta criticidade e armazenando ou conduzindo produtos perigosos ou a elevadas presses e temperaturas devem ser projetados para esta condio, conforme sugerido por Takahashi [38]. A propagao crtica ou frgil se d sem que haja deformao plstica significativa, sendo uma caracterstica do estado plano de deformao (EPD). Utiliza-se para esta 26

condio a MFEL (Mecnica da Fratura Elstica Linear), que pode ser traduzida pela equao

K I = Y a

(2.5)

onde KI = fator de intensidade de tenses (modo I) Y = fator geomtrico = tenso nominal aplicada a = dimenso caracterstica da trinca Pela MFEL, haver propagao instvel de uma trinca no momento que o valor de KI, calculado pela equao acima descrita superar o valor da tenacidade do material Kmat (crtico), obtido a partir de ensaios de tenacidade. Ento, a condio de falha durante o TH ser definida por

K mat Y TH a

(2.6)

onde TH = tenso aplicada durante o TH Kmat = tenacidade fratura para a temperatura de TH. Partindo-se da equao acima descrita, pode-se facilmente estabelecer uma relao entre o tamanho de trinca e a tenso aplicada, resultando no grfico apresentado na Figura 2.4:

27

Variao da Tenso Aplicada X Tamanho de Trinca160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5

Tenso (MPa)

KI1 KI2 KI4>KI3>KI2>KI1 KI3 KI4

10

15 a (mm)

20

25

30

Figura 2.4 Relao entre tenso nominal e tamanho crtico de trinca

Verificamos ento que a MFEL limita-se a comparar a intensidade de tenso na ponta de uma descontinuidade com a tenacidade fratura do material nas condies operacionais. O fator de intensidade de tenses KI pode ser calculado por maneiras distintas, como segue: A) Atravs das equaes bsicas de clculo da MFEL, pela aplicao

dos fatores geomtricos e do princpio da superposio. Este modo de clculo vale para geometrias mais simples, onde se torna possvel a aplicao de solues de KI j resolvidas. B) Atravs de procedimentos de clculo contidos em prticas

recomendadas, como o ASME XI, BS-7910 ou API RP579. C) Por ltimo, a determinao do fator de intensidade de tenses

pode se dar pela utilizao de mtodos computacionais atravs de ferramentas de anlise de tenses por elementos finitos. Do outro lado, a tenacidade fratura KIC (modo I) do material pode ser determinada atravs dos seguintes mtodos: A) Ensaio direto de determinao de KIC, conforme ASTM E-1820.

28

B)

Atravs de correlaes entre KIC e resultados de ensaio Charpy,

nos patamares superior, inferior ou na regio de transio dtil / frgil, determinadas por diversas entidades de pesquisa [34]. C) Atravs de relaes de KIC com outras medidas de tenacidade

fratura, como J, COD (ASTM E-1820). D) Valores mdios default obtidos no API RP579.

A MFEL est limitada a situaes onde a plastificao na ponta da trinca pequena quando comparada s dimenses da mesma. Materiais que apresentem elevada tenacidade tero uma plastificao maior que os materiais frgeis ou de elevada resistncia e resistiro mais propagao de defeitos, reduzindo a preciso da MFEL e dificultando sua aplicao. A partir deste ponto utiliza-se a MFEP (Mecnica da Fratura Elastoplstica), que possui ferramentas adequadas para calcular a estabilidade de defeitos em materiais que apresentem elevada plasticidade e tenacidade. A utilizao de um dos mtodos da mecnica da fratura deve ser avaliada em funo destas caractersticas dos materiais e da geometria da pea ou equipamento. Dowling [20] sugere a utilizao dos diagramas apresentados na Figura 2.5 para a determinao da abordagem a ser utilizada:

29

t, a, (t-a), h 2,5 (K/Sy)2 ?Sim E. plano de deformao No E. plano de tenso

MFEL

a, (t-a), h 8roSim MFEL No P 2 > 1 so valores de tenses aplicadas. Os valores de R (curva de resistncia) so obtidos atravs de ensaios pelo ASTM E561, enquanto os valores da curva de solicitao so obtidos atravs da relao

(Y 2 2 a) G= E

(2.10)

sendo G a taxa de liberao de energia elstica mais plstica. Para cada valor de tenso, haver um valor de G diretamente relacionado a um tamanho de trinca. Por este motivo, as curvas de solicitao so lineares. Assim, como mostrado na figura 2.10, valores muito baixos de tenso (1) provocaro nenhum ou pequeno incremento no tamanho da trinca (a), pois estaro interceptando a curva de resistncia no trecho vertical. Uma tenso maior poder interceptar a curva de resistncia no trecho inclinado, caracterizando um aumento de trinca a1, por crescimento subcrtico. Para um valor maior de tenso (3, por exemplo), a curva de solicitao no mais interceptar a curva de resistncia, caracterizando a condio de instabilidade da trinca. O momento exato de falha, caracterizado pela interseco das duas curvas est representado pelo ponto vermelho, ocorrendo a uma tenso entre 3 e 2.

36

2.3.6 Propagao por Fadiga Mecnica A propagao subcrtica em fadiga mecnica ocorre sobre tenses nominais inferiores aos limites de escoamento, entretanto devido ocorrncia de tenses extremamente localizadas superiores a este limite. Duas etapas se distinguem: nucleao e propagao. Entretanto, possvel ainda distinguir trs diferentes fases, que so funo da velocidade de propagao (Figura 2.11): 1) Fase inicial, que representa o comportamento no contnuo, que contempla uma estabilizao da velocidade de propagao em funo do mecanismo de encruamento; 2) Fase intermediria, que representa velocidade de propagao constante; 3) Fase final de propagao, que representa a acelerao final e ruptura. Cada uma destas fases influenciada principalmente por fatores como microestrutura, tenso mdia, meio corrosivo, freqncia, etc. [22].

Fase 1

Fase 2

Fase 3KIC, fratura final

da/dN

log K Figura 2.11 Caractersticas da curva de taxa de crescimento de trinca de fadiga

A equao de Paris uma das mais utilizadas nos clculos de fadiga, e representa a propagao na Fase 2:

37

da = A(K ) m dN

(2.11)

onde

da/dN = taxa de crescimento da trinca de fadiga, A = constante m = constante K = variao do fator de intensidade de tenses

A anlise de fadiga mecnica para vasos de presso pode ser conduzida atravs da Diviso 2 da Seo VIII do ASME, no apndice 5 (mandatrio). So aspectos relevantes nesta anlise: 1) Nmeros de ciclos de carga completos; 2) Nmero de ciclos de carga parciais; 3) Nmero de ciclos trmicos, em mesmo material, e 4) Nmero de ciclos trmicos caso haja unio de materiais com coeficientes de expanso trmica distintos. Estes valores levantados determinaro se a anlise dever ou no ser conduzida. Outros aspectos como concentradores de tenses, existncia de soldas de filete, etc. tambm devero ser avaliados. A interao do mecanismo de fadiga mecnica com a realizao do THs em equipamentos j foi investigada por alguns autores conforme visto no item 2.1.

2.3.7 Propagao por CST A propagao por CST (corroso-sob-tenso) ocorre em valores constantes de tenso. Algumas referncias bibliogrficas indicam que valores to baixos quanto 10% da tenso de escoamento so suficientes para deflagrar o processo sob certas condies [7]. Isto porque, associado tenso mecnica aplicada ou residual, existe o fenmeno eletroqumico que impede a estabilizao do crescimento de uma descontinuidade. A 38

CST um fenmeno que gera falhas retardadas, isto , a falha do componente no ocorre no incio do processo. Trs fases distintas do mecanismo de CST podem ser citadas [7]: 1) Nucleao e estgio 1 de propagao, perodo em que o material perde a passivao e aparecem os primeiros entalhes em escala microscpica. Est mais associada aos fenmenos eletroqumicos que mecnicos. As tenses, neste estgio, agem no sentido de facilitar a ruptura de filmes protetores. 2) Propagao em velocidade constante, sob condies de carga e eletroqumicas. A velocidade de propagao pode ser facilmente medida por equaes que relacionam crescimento da trinca a tenacidade. estabelecido o conceito do KICST, valor de intensidade de tenses a partir do qual dar-se- a propagao subcrtica da trinca de CST. 3) Estgio final, caracterizado pelo aumento da velocidade de propagao pela aproximao do KI do valor crtico. As caractersticas de cada um destes estgios podem ser representadas pela figura 2.12:

Tempo para fratura

Tempo para fratura

t2 t1Tempo para nucleao de trinca Tenso limite inferior

aplicado

Tenso de fratura

Tenso aplicada

Figura 2.12 Grfico de propagao de trincas de CST

Tenses aplicadas inferiores tenso limite no levaro ao desenvolvimento da CST. Tenses aplicadas entre a tenso limite e a tenso de fratura levaro deflagrao do 39

processo e propagao subcrtica das trincas. Neste intervalo, quanto maior a tenso aplicada, menor o tempo para a fratura final. J para tenses maiores que a tenso de fratura, haver ruptura instantnea sem que haja o desenvolvimento da CST. Entre a tenso limite e a tenso de fratura ocorrer a propagao subcrtica, pelo crescimento do KI a partir do KICST. Enquanto o KI no superar o KIC, haver crescimento subcrtico, conforme visto na Figura 2.13:

Estvel (pites)

Subcrtico

Sobrecrtico

Log da/dt

KICST

KI

KIC

Figura 2.13 Variao do valor de K e estgio de CST

No momento em que a trinca atingir o valor crtico, a tenacidade do material ser superada e haver uma ruptura final crtica, que determinar a falha do componente. Alguns meios corrosivos podem agir no sentido de reduzir a tenacidade dos materiais, como o caso dos aos carbono quando sujeitos penetrao de hidrognio, ao mesmo tempo em que ocorre crescimento subcrtico. Os valores de KICST so menores quanto maior for o limite de resistncia em aos ferrticos [7]. A velocidade de propagao da/dt, uma funo do valor de KI [21]. Considera-se que as pontas das trincas so a zonas de dissoluo andica, enquanto que as suas bordas so reas catdicas onde ocorre a reduo do hidrognio. Materiais ferrticos so grandemente afetados pela penetrao de hidrognio atmico originado nas reaes catdicas. Teores crescentes de hidrognio so responsveis pelo aumento 40

da velocidade de propagao das trincas, tambm em aos ferrticos. Aos inoxidveis austenticos geralmente so resistentes ao trincamento pelo hidrognio, nas condies de recozido ou levemente trabalhado a frio. Entretanto, so bastante afetados pelo hidrognio quando possuem baixo limite de resistncia. O AISI 304L grandemente afetado pelo hidrognio, apresentando grande perda de dutilidade [7].

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