Falha por fadiga é o principal mecanismo de falha estrutural em componentes metálicos sujeitos a tensões cíclicas. Esse dano progressivo e localizado é uma grande preocupação para sistemas que utilizam tubos de aço inoxidável e conexões para tubos de aço inoxidável.Isso ocorre mesmo quando a tensão aplicada está muito abaixo da resistência à tração máxima do material.
O que é falha por fadiga?
A fadiga é um processo de acumulação de danos. Ela resulta de ciclos repetidos de carga e descarga. Ao contrário da falha estática repentina, a fadiga se desenvolve lentamente ao longo do tempo. O número de ciclos necessários para causar a falha é inversamente proporcional à amplitude da tensão aplicada. O material falha repentinamente quando um tamanho crítico de trincas é atingido.
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As três fases da falha por fadiga
A falha por fadiga é um processo sequencial de três etapas. Cada etapa contribui para o colapso estrutural final.
- Início da rachadura:
Os danos microscópicos começam nos pontos de concentração de tensão. Arranhões superficiais, cantos afiados ou falhas internas no material geralmente iniciam essa fase. A deformação plástica repetida nesses pontos forma uma pequena rachadura visível. - Propagação de trincas:
A rachadura cresce lentamente a cada ciclo de tensão. A superfície da fratura frequentemente apresenta marcas características ou estrias. Essas marcas indicam a direção e a taxa de crescimento da rachadura ao longo do tempo. - Fratura final:
Quando o material restante não consegue mais suportar a carga máxima, ocorre uma fratura rápida. Essa falha final acontece repentinamente e muitas vezes parece frágil. A velocidade dessa fase final dá à fadiga sua reputação perigosa.
Fatores que influenciam a vida útil da fadiga em aço inoxidável
Vários fatores importantes determinam a rapidez com que ocorre a falha por fadiga em aço inoxidável Os engenheiros devem gerenciar essas variáveis cuidadosamente durante o projeto e a operação.
Este é o fator mais significativo. Uma maior variação de tensão por ciclo reduz drasticamente a vida útil. É fundamental minimizar as flutuações da pressão operacional.
Uma superfície lisa e polida melhora a resistência à fadiga. Arranhões, marcas ou marcas de usinagem ásperas atuam como locais de início de trincas. Portanto,acabamento de superfícies é fundamental para os acessórios para tubos de aço inoxidável.
Temperaturas elevadas podem acelerar os danos causados pela fadiga. Isso é frequentemente denominado interação entre deformação e fadiga. O controle da temperatura de operação prolonga a vida útil do componente.
A presença de meios corrosivos agrava significativamente os danos. A corrosão cria pontos de tensão (cavidades), acelerando o início de fissuras. Esse efeito combinado é conhecido como fadiga por corrosão.
Tipos de falha por fadiga
- Fadiga de alto ciclo (HCF):
A situação ocorre sob baixos níveis de tensão. O material pode suportar contagens de ciclos extremamente altas (normalmente superiores a 10⁴ ciclos). Isso se aplica a vibrações menores persistentes em sistemas de tubulação de aço inoxidável. - Fadiga de baixo ciclo (LCF):
Essas condições ocorrem sob níveis extremamente elevados de tensão. Os materiais tendem a falhar relativamente rápido (em menos de 10⁴ ciclos). Isso é normalmente causado por ciclos térmicos severos ou variações extremas de carga.
Prevenção de falhas por fadiga em tubulações
- Seleção de materiais:
Aços inoxidáveis duplex(por exemplo, 2205) apresentam maior resistência à fadiga do que o padrão tipos austeníticos (por exemplo, 304A seleção de uma liga mais resistente aumenta a vida útil à fadiga. - Otimização do projeto:
Os projetistas devem eliminar cantos vivos e mudanças bruscas na seção transversal. Essas características geométricas são conhecidas por concentrar tensões. Raios de filete adequados aumentam a longevidade dos componentes. - Tratamento de superfície:
Tratamentos de superfície como o shot peening criam tensão residual compressiva. Essa tensão neutraliza a tensão de tração que provoca o início de trincas. Isso aumenta drasticamente a resistência à falha por fadiga. - Qualidade da soldagem:
As soldas frequentemente apresentam defeitos inevitáveis.Soldagem adequada Os procedimentos minimizam a porosidade e as inclusões.Pós-soldagem O esmerilhamento e o alisamento da ponta da solda melhoram ainda mais o desempenho contra a fadiga.
Parâmetros de vida útil sob fadiga
| Parâmetro | Definição | Medição típica |
|---|---|---|
| Limite de resistência | Nível de tensão abaixo do qual não ocorrerá falha | MPa ou psi |
| Relação de tensão (R) | Relação entre tensão mínima e tensão máxima | Sem dimensão |
| Vida útil (Nf) | Número de ciclos até falha catastrófica | Ciclos |
| Concentração de tensão (Kt) | Medida do aumento do estresse próximo a uma característica geométrica | Sem dimensão |
Fontes de concentração de tensão em conexões para tubos
| Área de componentes | Causa da concentração de tensão | Risco de fadiga |
|---|---|---|
| Ponta de solda | Mudança acentuada na geometria | Início da fissura |
| Orifício da flange | Tensão em torno do parafuso | Rachaduras nos orifícios |
| Curva de tubo (cotovelo) | Afinamento geométrico | Falha na parede |
| Raiz do tópico | Entalhe acentuado | Corte de rosca |
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