Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
abendi.org.br Preservando a vida e o meio ambiente. SÓCIOS PATROCINADORES ABENDI abendi.org.br Mecânica da f ratura Introdução para prof iss iona is das áreas de inspeção e ENDs L e o n a r d o S i l v a | E n g e n h e i r o d e M a t e r i a i s | B R I T O E K E R C H E I n s p e ç õ e s Apresentação abendi.org.br Analista de Integridade Mecânica leonardo.ramalho@britoekerche.com.br Leonardo Silva Resumo: Engenheiro de Materiais pela Universidade Federal do ABC e Mestrando em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Atua como Engenheiro na empresa BRITOEKERCHE e como instrutor em cursos promovidos pela Abendi. Áreas de interesse: Mecânica da fratura - Mecânica experimental – Mecânica computacional - Corrosão de materiais metálicos - Integridade de equipamentos - Ensaios não destrutivos - Docência 1. Justificativa 2. Um pouco de História 3. Princípios de MFLE – Mecânica da Fratura Linear Elástica 4. Ciclo da trinca – Nucleação, crescimento e fratura 5. Considerações de FFS (Fitness for Service) 6. Reparo de trincas 7. Onde estudar MF 8. Considerações finais Programação abendi.org.br Definição: Mecânica da fratura é a área do conhecimento que estuda o comportamento mecânico dos materiais trincados. 1. Justificativa abendi.org.br Justificativa 01: A literatura sugere que entre 50% e 90% das falhas mecânicas são causadas por fadiga, um mecanismo de falha essencialmente baseado na nucleação e crescimento de trincas. https://www.mirror.co.uk/tech/southwest- jet-engine-explosion-catastrophic-12390918 https://clr.es/blog/en/prevent-fatigue-failure-mechanical- parts/ https://www.mirror.co.uk/tech/southwest-jet-engine-explosion-catastrophic-12390918 https://clr.es/blog/en/prevent-fatigue-failure-mechanical-parts/ 1. Justificativa abendi.org.br Justificativa 02: A resistência mecânica dos materiais de engenharia não é limitada pelas suas características constitutivas (como energia de ligação e energia para ativação de mecanismos de plasticidade). O fator limitante é a presença de heterogeneidades, como trincas e outras imperfeições, que atuam como concentradores de tensões. Justificativa 03: A estratégia convencional de projeto mecânico não é suficiente para prevenir a ocorrência de fraturas. Justificativa 04: Uma estratégia de projeto baseado em MF deveria levar em consideração os limites dos métodos de inspeção e controle de qualidade para a detecção de defeitos. 1. Justificativa abendi.org.br 1. Justificativa abendi.org.br Justificativa 05: O estado da arte na Engenharia de Integridade de Equipamentos faz uso, cada vez mais, de ferramentas para possibilitar a convivência segura de equipamentos com trincas (de forma provisória ou definitiva) ou a prescrição de reparos. O assunto MF, portanto, estará em evidência crescente. 1. Justificativa abendi.org.br Justificativa 06: Mecânica da fratura serve para responder às questões: 1. Dado uma máquina ou equipamento industrial trincado, submetido a determinada condição de serviço, haverá ou não crescimento de trinca e falha por fratura? 2. Havendo crescimento de trinca, este ocorrerá de modo incremental (propagação estável) ou repentina (propagação instável)? 3. Qual o tamanho máximo de trinca (tamanho crítico) capaz de levar um componente à falha? 4. Qual a velocidade de propagação (taxa de crescimento) da trinca? 5. Para uma trinca que apresente crescimento estável, qual o tempo estimado até a falha do equipamento (vida remanescente)? 6. Se tratando de um sistema pressurizado, a falha será precedida por um aviso (na forma de vazamento perceptível)? 7. Como avaliar a segurança operacional de equipamentos trincados e promover condições de continuidade operacional (fitness for service)? 8. Como projetar máquinas e equipamentos mais seguros quanto à fratura? 9. Para um dado contexto, qual o menor tamanho de trinca que um plano de inspeção, baseado em ensaios não destrutivos, deve ser capaz de detectar para conferir confiabilidade à instalação? 10.Dado uma máquina ou equipamento trincado, como definir o intervalo de tempo entre inspeções não destrutivas? https://www.linkedin.com/pulse/muito-al%C3%A9m-do-estudo-de-trincas-leonardo-silva/ https://www.linkedin.com/pulse/muito-al%C3%A9m-do-estudo-de-trincas-leonardo-silva/ Século XV: Leonardo da Vinci constata que a resistência à tração de um arame diminui com o aumento do seu comprimento. Explicação: Teoria do elo mais fraco. 2. História da MF abendi.org.br Século XIX: Cauchy estuda a relação entre tensões e deformações em singularidades. Desenvolve-se o conceito do efeito de concentração de tensões. 1913: Charles Inglis publica o modelo matemático de tensões na região adjacente a um furo elíptico. 2. História da MF abendi.org.br 1920: Alan Griffith usa o trabalho de Inglis para formular um critério de energia, baseado nas leis da termodinâmica, que explica o crescimento instável de trincas em materiais frágeis, levando os mesmos à falha. 1948-1949: George R. Irwin e Egon Orowan modificam o modelo original de Griffith, de modo a poder aplicá-lo em metais. 2. História da MF abendi.org.br 1957: Irwin e Willians desenvolvem uma nova abordagem para a mecânica da fratura baseada no Fator Intensidade de Tensão K. Nasce a formulação moderna da MFLE. 1961: Alan Wells desenvolve uma abordagem para a fratura baseada no parâmetro CTOD. 1961: Paul C. Paris e Erdogan aplicam princípios da MFLE para o entendimento do crescimento de trincas e fratura por fadiga. 2. História da MF abendi.org.br 1965: H. H. Johnson e A. M. Willner, inspirados no trabalho de Paul Paris, aplicam conceitos de MF para o crescimento de trincas de corrosão sob tensão (Stress Corrosion Cracking – SCC). 1968: James Robert Rice desenvolve abordagem para a MF dos materiais não-lineares, utilizando o conceito da integral J. Nasce a MFEP (Mecânica da Fratura Elastoplástica). 1981: C. F. Shin propôs a reformulação do cálculo do CTOD e estabeleceu a relação entre J e CTOD (unificando as abordagens vigentes de MFEP). 2. História da MF abendi.org.br Obtuário do professor Paul C. Paris (1930-2017) - https://engineering.wustl.edu/news/Pages/Former-professor- Paris-law-of-engineering-lives-on-beyond-his-death.aspx https://engineering.wustl.edu/news/Pages/Former-professor-Paris-law-of-engineering-lives-on-beyond-his-death.aspx Vamos começar do começo – Modos de abertura de trinca: 3. Princípios da MFLE abendi.org.br Modo I - Abertura Modo II – Cisalhamento no plano Modo III – Cisalhamento fora do plano Simulação computacional de tensões mecânicas, em função do modo de abertura da trinca. O efeito da plasticidade na ponta da trinca – modos de fratura 3. Princípios da MFLE abendi.org.br Simulação computacional de tensões mecânicas na ponta de uma trinca solicitada em modo I. <<< Situação I Situação II Situação III NOTA: As regiões azuis representam, esquematicamente, a zona plástica na ponta da trinca, ou seja, a região onde as tensões atuantes excede o limite de escoamento do material e o fluxo plástico de matéria é observado. a. Situação I: Zona plástica pequena – Validade da MFLE – Critério de falha: KC; b. Situação II: Zona plástica com dimensão significativa – Escoamento em volume contido – Validade da MFEP – Critério de falha JC ou CTODC; c. Situação III: Plasticidade em longo alcance – Colapso plástico – Grandes deformações. O critério de falha de Griffith: 3. Princípios da MFLE abendi.org.br Griffith analisou uma chapa semi infinita contendo uma trinca passante de comprimento 2a À medida que a trinca cresce, dois fenômenos são analisados sob a perspectiva termodinâmica: 1. Ao crescer, a trinca promove a liberação de energia elástica do sistema (esse fenômeno é termodinamicamente favorável); 2. Ao crescer, a trinca promove o aumento da área superficial do material e, consequentemente,o aumento da energia total de superfície (esse fenômeno é termodinamicamente desfavorável); 3. O balanço de energia associado ao crescimento de uma trinca decorre da soma dos dois fenômenos relacionados acima. Para o modelo de chapa trincada proposto, a tensão mecânica associada ao ponto de instabilidade é dada por essa equação como sendo função da energia específica de superfície do material, do módulo de elasticidade e do comprimento da trinca. Uma vez excedido esse valor de tensão, a trinca se propagaria de forma instável, ou seja, de forma abrupta. https://www.linkedin.com/pulse/como- termodin%C3%A2mica-explica-fratura-dos- materiais-leonardo-silva/ https://www.linkedin.com/pulse/como-termodin%C3%A2mica-explica-fratura-dos-materiais-leonardo-silva/ A introdução do Fator Intensidade de Tensão (K) por Irwin: Irwin propôs em 1956 uma abordagem para a mecânica da fratura essencialmente similar à de Griffith, porém escrita numa forma mais conveniente para a resolução de problemas de engenharia. 3. Princípios da MFLE abendi.org.br Pontos importantes sobre K: ▪ K é um parâmetro que indica a intensidade do carregamento mecânico na ponta de uma trinca; ▪ Conhecido o modo de carregamento da trinca (I, II ou III), K pode ser utilizado para calcular o estado de tensões na vizinhança da trinca; Pontos importantes sobre K: ▪ A equação icônica da MFLE é apresentada como: 3. Princípios da MFLE abendi.org.br Onde: • K é o fator intensidade de tensão; • Y é uma constante ou função dependente da geometria da trinca e do componente trincado; • Σ é a tensão remota aplicada (ou seja, a tensão que atuaria na região caso não houvesse trinca); • A é o comprimento da trinca para uma trinca de borda ou metade do comprimento da trinca para uma trinca superficial. ▪ Na MFLE, a fratura ocorre quando K atinge um valor crítico, chamado de KC: K > KC → Propagação instável de trinca Pontos importantes sobre K: ▪ É um trabalho importante dos pesquisadores encontrar soluções fechadas para K. Situações complexas exigem simulação por elementos finitos. Algumas soluções são bem simples: 3. Princípios da MFLE abendi.org.br K = σ √(πa) Y = 1 K = 1,12.σ √(πa) Y = 1,12 Pontos importantes sobre K: Soluções complexas!!!! 3. Princípios da MFLE abendi.org.br http://citeseerx.ist.psu.edu/viewd oc/download?doi=10.1.1.659.1265 &rep=rep1&type=pdf http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.659.1265&rep=rep1&type=pdf Pontos importantes sobre K: ▪ O valor de KC é afetado pela espessura do material e, no domínio das altas espessuras, assume um valor crítico. Para o carregamento em modo I, esse valor é chamado KIC (Tenacidade à fratura em deformação plana). Esse valor é considerado uma propriedade dos materiais: 3. Princípios da MFLE abendi.org.br 3. Princípios da MFLE abendi.org.br 3. Princípios da MFLE abendi.org.br Ponto de verificação de entendimento: Abordagem mecânica clássica / Resistência dos materiais MFLE Fator de carregamento: Tensão (F/A) Fator Intensidade de Tensão (K) Critério de falha: Tensão de escoamento do material, critério de Tresca ou de Von Misses Tenacidade à fratura em deformação plana (KIC) Variáveis essenciais: Estado de tensões e área da seção transversal resistente Estado de tensões, comprimento da trinca, formato da trinca e geometria do componente trincado. 3. Princípios da MFLE abendi.org.br Exemplo: Uma chapa infinita de espessura B = 20 mm contendo uma trinca passante de comprimento 2a = 18 mm é submetida a uma tensão remota de 180 MPa, perpendicular ao plano da trinca. A tenacidade à fratura em deformação plana do material (KIC), na temperatura de solicitação, é de apenas 25 MPa.m1/2. a. Calcule o valor de KI (fator intensidade de tensão) aplicado. b. Nessa condição de carregamento o material irá fraturar? Justifique. c. Para uma tensão aplicada de 100 MPa, qual seria o tamanho crítico de trinca? 3. Princípios da MFLE abendi.org.br Solução: a. Calcule o valor de KI (fator intensidade de tensão) aplicado. b. Nessa condição de carregamento o material irá fraturar? Justifique. c. Para uma tensão aplicada de 100 MPa, qual seria o tamanho crítico de trinca? Estágios de uma trinca: 4. Nucleação, crescimento de trinca e fratura abendi.org.br FraturaNucleação Crescimento ou propagação Estágios de uma trinca: 4. Nucleação, crescimento de trinca e fratura abendi.org.br FraturaNucleação Crescimento ou propagação Alguns mecanismos de nucleação de trincas: • Fadiga mecânica; • Fadiga térmica; • Choque térmico; • Corrosão sob tensão; • Trinca a quente de soldagem; • Trinca a frio de soldagem; • Fragilização pelo hidrogênio; • Ataque por hidrogênio em alta temperatura; • Fluência; • Sobrecarga mecânica; • ... Estágios de uma trinca: 4. Nucleação, crescimento de trinca e fratura abendi.org.br FraturaNucleação Crescimento ou propagação No ponto de vista termodinâmico, o crescimento de uma trinca pode ser classificado em duas categorias: • Crescimento subcrítico (ou crescimento estável): é o crescimento incremental e controlado; • Crescimento instável: é a propagação abrupta. A ponta da trinca avança em alta velocidade até a fratura do material. Quanto à direção de propagação uma trinca pode crescer de forma linear ou ramificada. Estágios de uma trinca: 4. Nucleação, crescimento de trinca e fratura abendi.org.br FraturaNucleação Crescimento ou propagação Quanto à plasticidade, as fraturas podem ser classificadas como frágeis, dúcteis ou mistas. Fraturas frágeis podem ainda ser classificadas como transgranulares (clivagem) ou intergranulares. Nota: Um mesmo material pode falhar de forma frágil ou dúctil, dependendo das circunstâncias. Estágios de uma trinca: 4. Nucleação, crescimento de trinca e fratura abendi.org.br FraturaNucleação Crescimento ou propagação Exemplo 01 – Fadiga térmica ▪ Local: Indústria de processamento de gases industriais; ▪ Equipamento: Vaporizador de oxigênio; ▪ Material: Aço inoxidável austenítico forjado A182 grau 316; ▪ Inspetor de LP detectou trinca circunferencial, na totalidade da região de ligação entre o cubo e o disco de um flange. 4. Nucleação, crescimento de trinca e fratura abendi.org.br Um trabalho interessante sobre análise de fadiga térmica em tubo de aço inoxidável austenítico: dehttps://publications.jrc.ec.europa.eu/reposit ory/bitstream/JRC87415/ldna26445enn.pdf 1. Por que fadiga térmica? 2. Por que a trinca nucleou na região de transição do cubo para o disco? 3. Por que a trinca possui formato circular? 4. É possível prever a velocidade de propagação dessa trinca? 5. Mantidas as condições de operação/carregamento mecânico, a velocidade de propagação da trinca tende a aumentar, diminuir ou manter-se constante? https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC87415/ldna26445enn.pdf Exemplo 02 – Ataque por hidrogênio em alta temperatura ▪ Local: Refinaria de petróleo; ▪ Equipamento: Trocador de calor tipo casco-tubo ▪ Fluído de serviço: Nafta; ▪ Material: Aço carbono. 4. Nucleação, crescimento de trinca e fratura abendi.org.br Nesse vídeo, Ericlapton Fernandes, Annelise Zeemann e Camila Pena fazem uma excelente apresentação sobre o tema: https://www.youtube.com/watch?v=zNFO4C2 F0xA https://www.youtube.com/watch?v=zNFO4C2F0xA Vale a pena conhecer essas expressões: FFS: Fitness For Service (adequação ao uso). ECA: Engineering Critical Assessment (análise crítica de engenharia) Na definição da norma API-579-1, “análises de FFS são avaliações quantitativas de Engenharia realizadas para demonstrar a integridade estrutural de um componente que pode conter uma descontinuidade ou dano, ou que possa estar operando sob uma condição específica que possa levar à falha.” 5. Considerações de FFS abendi.org.br Algumas normas de FFS que tratam de Mecânica da Fratura API-579-1 / ASME- FFS-1: Fitness-For- Service EN BS-7910: Guide to methods for assessingthe acceptability of flaws in metallic structures Nota: Uma análise de FFS constitui uma evidência concreta para a tomada de decisões do tipo: “Reparar / Substituir / Adequar o processo / Conviver com o dano”. Níveis de avaliação: API-579-1 e BS-7910 adotam um sistema similar de graduação dos métodos de análise em três níveis: 5. Considerações de FFS abendi.org.br Análise nível 1 Análise simplificada, baseada numa quantidade reduzida de informações e amparada por modelos conservadores Análise nível 2 Análise baseada num volume ampliado de informações e baseado em modelos mais complexos e menos conservadores Análise nível 3 Análise de maior nível de complexidade e menor nível de conservadorismo, normalmente baseado no emprego de ferramentas computacionais (FEM) M ai o r co m p le xi d ad e M ai o r co n se rv ad o ri sm o Roteiro de análise para descontinuidades similares a trincas (crack-like flaws) segundo a API-579-1: 5. Considerações de FFS abendi.org.br 5. Considerações de FFS abendi.org.br 5. Considerações de FFS abendi.org.br 5. Considerações de FFS abendi.org.br API-579-1 Seção 9 Metodologia de análise: Análise Nível 1 Análise Nível 2 Análise Nível 3 Solução gráfica simplificada, aplicável a metal de base ou solda, com TTAT ou sem, contendo trincas superficiais semi-elípticas com altura igual a ¼.t ou passantes. Solução utilizando o diagrama FAD (Diagrama de Prognóstico de Falha), que cruza dois parâmetros de carregamento (K relativo e tensão relativa) para avaliar a possibilidade de falha fratura frágil, fratura dúctil ou colapso plástico sob diferentes cenários de carregamento. Análise avançada é utilizada para caracterizar estados complexos de tensões, espectros de carregamento de fadiga, caracterização mais precisa da tenacidade do material, etc. Diversos métodos para o controle de trincas foram desenvolvidos. Muitos deles são essencialmente fundamentados na prática e não possuem normalização. Outros, no entanto, são previstos em referências consolidadas, como o ASME PCC-2 (Repair of Pressure Equipment and Piping). 6. Reparo de trincas abendi.org.br Artigo recente sobre métodos para o reparo de trincas em metais: https://www.sciencedirect.com/scien ce/article/pii/S2351978917300926 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2351978917300926 Técnica do esmerilhamento e preenchimento com solda: 6. Reparo de trincas abendi.org.br A técnica é normativa e é relacionada no ASME PCC-2 (Repair of Pressure Equipment and Piping) e no ASME FFS-1 (Fitness for Service). A cavidade não deve ser preenchida com solda, a menos que a espessura residual seja inferior ao limite admissível pela análise de FFS somada à sobrespessura para corrosão. Técnica do metal crack stitching (algo como “costura metálica para trincas”): 6. Reparo de trincas abendi.org.br Técnica do stop-hole (furação na ponta da trinca): 6. Reparo de trincas abendi.org.br Princípio de aplicação da técnica. Possibilidade de utilizar um ou mais furos para induzir o desvio de trincas. Três arranjos alternativos: (a) Stop-hole convencional; (b) Stop-hole com pino; (c) Stop-hole com retentor. Técnica do bonded crack patches (algo como “remendos colados”): 6. Reparo de trincas abendi.org.br Link para o trabalho de pesquisadores do departamento de Engenharia Aeroespacial da universidade de Nápolis: https://www.researchgate.net/publicati on/221911225_Bonded_Composite_Pat ch_Repairs_on_Cracked_Aluminum_Plat es_Theory_Modeling_and_Experiments https://www.researchgate.net/publication/221911225_Bonded_Composite_Patch_Repairs_on_Cracked_Aluminum_Plates_Theory_Modeling_and_Experiments Técnica do “Hammer peening” ou “ultrasonic peening” (algo como “martelamento ultrassônico”): 6. Reparo de trincas abendi.org.br Este vídeo apresenta os princípios de um equipamento de hammer peening e comenta seu potencial de aumento da vida à fadiga, mas não trata do reparo de trincas. Boas perspectivas de reparo para trincas superficiais rasas. ▪ Curso presencial (também transmitido via webinar) de MF oferecido pela Abendi (Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção), ministrado em São Paulo, com 32 horas de duração; ▪ Curso presencial (também transmitido via webinar) de Integridade Estrutural / FFS oferecido pela Abendi (Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção), ministrado em São Paulo, com 40 horas de duração; ▪ Artigos introdutórios de MF no LinkedIn (série de 9 artigos, ainda em fase de elaboração); ▪ Disciplinas presenciais dos programas de pós-graduação (mestrado e doutorado) oferecidos gratuitamente por universidades públicas brasileiras. Para participar dessas disciplinas, na condição de aluno especial, em geral não é necessário possuir nenhum tipo de vínculo com a instituição de ensino, bastando possuir formação em curso superior e uma carta de aceite emitida pelo professor responsável pela disciplina. 7. Onde estudar MF abendi.org.br https://www.linkedin.com/pulse/muito-al%C3%A9m-do-estudo-de-trincas-leonardo-silva/?originalSubdomain=pt https://www.linkedin.com/pulse/muito-al%C3%A9m-do-estudo-de-trincas-leonardo-silva/?originalSubdomain=pt ▪ Curso não presencial de MF do professor K. Ramesh, do Instituto de Tecnologia Indiano Madras, disponível gratuitamente em inglês. Trata-se de um curso introdutório com nível excelente, composto por 41 aulas de 50 minutos; ▪ Livro Fracture Mechanics, de T. L. Anderson; ▪ Livro Mecânica dos Materiais, de Cláudio G. Schon. 7. Onde estudar MF abendi.org.br https://www.youtube.com/watch?v=-eBRqhfdGrU&list=PLA218B83235A4AD5C&index=1 https://www.amazon.com.br/Fracture-Mechanics-Fundamentals-Applications-English-ebook/dp/B06XDMVFFF/ref=sr_1_1?__mk_pt_BR=%C3%85M%C3%85%C5%BD%C3%95%C3%91&dchild=1&keywords=fracture+mechanics+ted+anderson&qid=1591144228&sr=8-1 https://www.saraiva.com.br/mecanica-dos-materiais-fundamentos-e-tecnologia-do-comportamento-mecanico-5324869/p A mecânica da fratura é holística 8. Considerações finais abendi.org.br Quinta aula do curso de mecânica da fratura do professor K. Ramesh, do Instituto Indiano de Tecnologia Madras, sob o título “Fracture Mechanics is Holistic” No dicionário, holismo se refere à busca de um entendimento integral dos fenômenos. A mecânica da fratura é uma ponte que liga: ▪ As necessidades práticas dos gestores de ativos industriais; ▪ A área de inspeção e ENDs; ▪ A Física (mecânica dos materiais, termodinâmica de superfícies, estrutura da matéria, ...); ▪ A Engenharia Mecânica (análise de tensões, mecânica computacional, mecânica experimental, ...); ▪ A Engenharia de Materiais (propriedades dos materiais, tecnologia de processamento, metalografia, mecanismos de deterioração, ...). abendi.org.br Leonardo Silva Engenheiro de Materiais leonardo.ramalho@britoekerche.com.br Tel. (11) 99559-7814 OBRIGADO! abendinews.org.br Abendi http://www.abendi.org.br/abendi/ http://www.abendi.org.br/abendi/ https://www.facebook.com/associacao.abendi https://twitter.com/abendi_end https://www.youtube.com/channel/UCtQgkp8InUUaWPjRCPo8eTw https://twitter.com/abendioficial https://abendinews.org.br/ https://abendinews.org.br/
Compartilhar