Crescimento de trincas por fadiga subcrítica em manifolds de alta pressão
Manifolds de alta pressão
são submetidos por muito tempo a cargas alternadas entre 40 MPa e 100 MPa. Um componente sem rachadura ou com uma rachadura inicial não falhará quando o fator de intensidade de tensão K produzido pela combinação de carga externa estática e trinca for menor que a tenacidade à fratura Kc do objeto. No entanto, sob cargas alternadas repetidas, a rachadura cresce lentamente. Quando a trinca cresce do comprimento inicial a0 até o tamanho crítico ac, ocorre uma falha instável. Isso é chamado de falha por fadiga. O processo de crescimento de trinca de a0 a ac sob tensão alternada é chamado de crescimento de trinca por fadiga subcrítica.
Pesquisas sobre o comportamento de crescimento de trincas sob cargas alternadas têm uma importância muito importante para estruturas de engenharia práticas. Quando há danos iniciais em uma estrutura de engenharia, como defeitos internos, microfissuras ou inclusões, a fratura pode não ocorrer sob carga de trabalho no início do serviço. No entanto, a maioria das estruturas de engenharia é submetida a cargas cíclicas alternadas ou até mesmo cargas de impacto durante o serviço, e sob tais cargas o dano inicial na estrutura cresce lentamente. Uma vez que a combinação da carga externa e do comprimento da trinca faz o fator de intensidade de tensão atingir o valor crítico, a estrutura falha. O número de ciclos de carga experimentados desde a trinca inicial até o comprimento crítico da trinca é chamado de vida útil de crescimento da trinca por fadiga da estrutura. Antes do surgimento da mecânica da fratura, o design tradicional de fadiga era baseado em amostras pequenas e lisas. Embora esse método tradicional de projeto tenha trazido grandes contribuições para prevenir falhas por fadiga dos componentes, ele não considerava possíveis defeitos nos componentes reais e não refletia as leis de crescimento de trincas. Portanto, seus resultados às vezes são inseguros e às vezes excessivamente conservadores. Aplicar princípios da mecânica da fratura para estudar as leis de crescimento de trincas por fadiga e estabelecer métodos de cálculo de projeto de fadiga com base nisso é um complemento e desenvolvimento importantes da análise tradicional de fadiga. Para prever com mais precisão a vida útil do crescimento das trincas por fadiga, este artigo estuda as leis de crescimento das trincas sob vários tipos de cargas alternadas.
Iniciação e crescimento da trinca sob carga alternada
O processo de fratura por fadiga dos materiais metálicos é muito complexo. Para a maioria dos problemas práticos de engenharia, incluindo manifolds de alta pressão e componentes similares, cargas e tensões frequentemente variam alternadamente com o tempo. Sob essa carga alternada, os componentes podem apresentar falha por fadiga. Geralmente, as trincas por fadiga começam na superfície do componente e depois crescem gradualmente até que o estresse atinja um valor crítico, após o qual se desenvolve crescimento instável e ocorre uma fratura súbita.
Lei de crescimento de trinca sob carga alternada de amplitude constante
Primeiro, estuda-se o crescimento de trincas sob carga alternada de amplitude constante. Embora essa forma de fadiga raramente seja vista em estruturas reais, é fácil de testar em máquinas comuns de teste de fadiga. Além disso, as leis de crescimento de trincas por fadiga obtidas a partir dessa condição podem servir de base para estudar o crescimento de trincas sob outros tipos de carga por fadiga. Portanto, a maioria dos dados de crescimento de trincas por fadiga para materiais é obtida sob carga por fadiga.
Fatores que afetam a taxa de crescimento da trinca e a interação entre cargas
A discussão acima mostra que a faixa do fator de intensidade de tensão na ponta da trinca é o principal parâmetro que determina a taxa de crescimento da trinca. No entanto, muitos outros fatores também afetam a taxa de crescimento das trincas por fadiga. Embora sua influência seja secundária em comparação com a faixa de fatores de intensidade de tensão, eles são importantes para entender as leis de crescimento de trincas e melhorar a resistência do material à fratura por fadiga. Vários fatores que afetam a taxa de crescimento das trincas são apresentados abaixo.
Efeito dos picos de sobrecarga
Quando um pico de sobrecarga aparece em tensão alternada sob uma amplitude normal de tensão, ele produz um efeito de retardo no crescimento subsequente da trinca sob ciclos de tensão-amplitude inferior. Testes mostram que esse retardo depende da magnitude da sobrecarga. Quanto maior o pico de sobrecarga, maior o retardo. Múltiplas sobrecargas causam atraso adicional. Uma sobrecarga muito alta pode até parar completamente o crescimento da trinca durante ciclos subsequentes de baixa amplitude.
Efeito da frequência de carga
De modo geral, quanto menor a frequência de carga, maior a taxa de crescimento da trinca; Quanto maior a frequência de carga, menor a taxa de crescimento da trinca. Na faixa de frequência mais baixa, a influência de frequência é pequena; na faixa mais alta, a influência da frequência torna-se mais significativa. A interação de carga também deve ser considerada.
O comportamento de crescimento de trincas sob carga de fadiga de amplitude constante é apenas um ponto de partida. Em estruturas de engenharia reais, a maioria das cargas cíclicas são cargas de amplitude variável. Como cargas de diferentes amplitudes aparecem no espectro de carga, há interação entre essas cargas de diferentes amplitudes, e elas influenciam a taxa de crescimento das trincas por fadiga. Muitos estudos experimentais mostram que, após cargas de alta amplitude aparecerem no espectro de carga, a taxa subsequente de crescimento da trinca diminui e precisa de um certo número de ciclos para recuperar sua taxa normal de crescimento. Após o surgimento de uma carga negativa de alta amplitude, a taxa subsequente de crescimento da trinca aumenta. Portanto, ao estudar as características de crescimento de trincas e prever a vida útil do crescimento das trincas, a influência da interação da carga deve ser considerada.
O caso mais simples é adicionar uma carga de pico alta à carga cíclica de amplitude constante. Essa alta carga de pico é chamada de sobrecarga. As características de mudança na taxa de crescimento de trincas após sobrecarga foram amplamente estudadas nos últimos vinte anos. Pesquisas mostram que, após cada sobrecarga, a taxa de crescimento da trinca diminui significativamente.
O efeito de retardo causado pela sobrecarga tem as seguintes conclusões:
1) A tensão residual existe na grande zona plástica produzida pela sobrecarga. O efeito combinado do estresse compressivo residual antes da trinca e da tensão de tração aplicada reduz o fator de intensidade efetiva da tensão, reduzindo assim a taxa de crescimento da trinca.
2) Existe deformação compressiva residual na zona plástica produzida por sobrecarga. Quando a ponta da trinca entra na esteira plástica, a deformação residual fecha a trinca. Como o estresse necessário para a reabertura da trinca é maior do que o esforço mínimo da carga cíclica, a taxa de crescimento da trinca diminui.
3) A sobrecarga causa embotamento das pontas da trinca, reduzindo a taxa de crescimento da trinca.
Lei de crescimento de trincas sob carga alternada de amplitude variável
Pela influência dos picos de sobrecarga no crescimento das trincas por fadiga, pode-se inferir que, sob cargas de amplitude variável, ciclos de fadiga de diferentes amplitudes se afetam. Considerar esse efeito torna o cálculo do crescimento de trincas por fadiga muito complexo. Em engenharia, a regra linear de dano acumulado de Miner é amplamente utilizada. Ele ignora a influência entre ciclos de fadiga de diferentes amplitudes, calcula a quantidade de crescimento de trincas sob cada amplitude de forma independente e então obtém crescimento total de acordo com a superposição linear.
Para o crescimento de trincas por fadiga sob ciclos de amplitude variável, independentemente do método de análise utilizado, é necessário conhecimento suficiente da carga. Deve-se notar que a ordem dos ciclos de diferentes amplitudes não pode ser revertida no cálculo, e ciclos da mesma amplitude separados por outra carga de amplitude não podem simplesmente ser somados.
Além disso, como o pico de sobrecarga retarda o crescimento da fissura por fadiga, os resultados calculados pela regra linear de dano acumulado do Miner são conservadores.
Análise da vida útil do crescimento de trincas em manifolds de alta pressão
Quando uma trinca não produz fratura de evento único, mas sob cargas alternadas a amplitude da tensão excede um certo valor, uma pequena trinca inicial na estrutura, ou mesmo uma trinca gerada sob carga alternada quando não houve trinca inicial, cresce gradualmente até a falha. Esse processo é o crescimento da trinca, e o número de ciclos de carga alternada nesse processo corresponde à vida útil do crescimento da trinca.
Conclusões e análise
Com base nos testes de propriedades do material e na análise e cálculo acima, as seguintes conclusões podem ser obtidas para a segurança em fraturas de componentes típicos:
1) Como o número de ciclos de carga alternados durante o serviço é relativamente baixo e o valor de tensão não é alto, resultados de análises tanto da teoria da fadiga quanto da teoria do crescimento de trincas mostram que a vida útil segura é maior que 20 anos.
2) Mesmo que a maioria das conexões de tubulação falhe, o vazamento ocorre primeiro e fornece aviso, o que é favorável para a segurança.
3) Recomenda-se realizar a inspeção NDT no Manifold a cada 2 a 3 anos. Quando as rachaduras forem encontradas, compare-as com os valores apresentados na tabela. Se a trinca estiver em estado seguro, o componente pode continuar sendo utilizado, mas a mudança no crescimento da trinca deve ser observada para que os problemas possam ser diagnosticados a tempo e o Manifold funcione de forma segura e confiável.
