2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABENISBN: 85-99141-01-5

FADIGA TÉRMICA EM TUBULAÇÕES PROVOCADA PELOFENÔMENO DA ESTRATIFICAÇÃO TÉRMICA

Luiz Leite da Silva1, Ernani Sales Palma2 e Tanius Rodrigues Mansur1

1 Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CNEN/CDTN)Caixa Postal 941

30.123-970 - Belo Horizonte, MGsilvall@cdtn.brtanius@cdtn.br

2 Pontifícia Universidade Católica de Minas GeraisAv. D. José Gaspar, 500

Coração Eucarístico30.535-610 Belo Horizonte, MG

palma@pucminas.br

RESUMO

Este trabalho é referente à pesquisa bibliográfica e à proposição de experimentos para estudos de danos devidosà fadiga térmica, causada pelo fenômeno da estratificação térmica em tubulações horizontais. O fenômeno daestratificação térmica merece uma atenção especial por ser um fenômeno que aparece com freqüência emprocessos das indústrias nuclear e convencional, onde há escoamento de fluidos, geralmente em circuitosfechados, a baixas velocidades e a diferentes temperaturas.

Quando uma tubulação é submetida ao escoamento termicamente estratificado, aparecem esforços não linearestanto longitudinal quanto circunferencialmente e ciclagem térmica na interface entre as duas camadas de fluido.Nas centrais nucleares construídas até a década de 80, os cálculos das tubulações eram feitos considerando-seestes esforços como sendo lineares. Conseqüentemente, começaram a haver falhas em tubulações de algumascentrais nucleares, sendo a primeira delas em 1988 na central nuclear de Farley 2. Após este evento o NRC[5],publicou um boletim recomendando a avaliação e ações corretivas das tubulações sujeitas à estratificaçãotérmica.

Em uma central nuclear os principais locais com maior possibilidades de ocorrer a estratificação térmica são aspernas quentes e fria do circuito primário, a linha de surto do pressurizador, o circuito de remoção do calorresidual e o bocal de injeção do gerador de vapor. Os estudos propostos, são referentes a um projeto de tese e,consistem em promover escoamentos termicamente estratificados em uma tubulação, analisar os danos causadosem seu material, levantando as suas curvas S-N e a validação de um modelo numérico.

1. INTRODUÇÃO

A estratificação térmica ocorre em tubulações horizontais quando dois fluidos escoam, emtemperaturas diferentes e em baixas velocidades[3]. Este fenômeno é freqüente em centraisnucleares, centrais térmicas convencionais e em muitos processos industriais que utilizamfluidos com a mesma fase ou com fases diferentes. Durante a estratificação térmica ocorrembruscas flutuações locais na temperatura do fluido, o que é nocivo ao material da tubulação.Este trabalho tratará do fenômeno da estratificação térmica monofásico, entre dois fluxos deágua, sendo este o fenômeno mais freqüente nos processos industriais.

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Ao final da década de 80 as tubulações de algumas linhas de centrais nucleares apresentaramvazamentos devidos a trincas passantes na parede dos tubos, tanto no material base quantonas soldas. Naquela época, descobriu-se que estas trincas eram devidas à fadiga causada pelastensões que surgiam em decorrência das condições do escoamento estratificado presentenestas tubulações. O projeto das centrais nucleares construídas até aquela data nãoconsiderava os efeitos não lineares dos carregamentos impostos às tubulações. Os cálculoseram realizados considerando-se uma distribuição linear de temperaturas e de tensões tantona seção transversal quanto na longitudinal.

Neste trabalho optou-se por estudar os efeitos da fadiga, com origem no fenômeno deestratificação térmica, em um tubo simulador do bocal de entrada do gerador de vapor de umacentral nuclear com reator a água pressurizada. Neste componente, em operações do reator abaixa potência, a água retorna para o gerador de vapor a uma temperatura entre 0 e 40oC ecom baixa velocidade de escoamento, misturando-se à água do gerador de vapor que seencontra a 280oC e a uma pressão de 64bar, o que favorece a estratificação térmica. Paraavaliar os efeitos da estratificação térmica no material do tubo, serão realizados testes deestratificação térmica, ensaios de fadiga com deformação constante em corpos de provaretirados do tubo ensaiado e em corpos de prova retirados de uma porção virgem deste tubo eo levantamento das curvas S-N do material. Comparando os resultados destes ensaios defadiga será possível avaliar os efeitos da estratificação térmica no material do tubo e ainfluência deles na vida da tubulação.

2. ANÁLISE DO FENÔMENO

Quando o fenômeno da estratificação térmica ocorre, a tubulação fica solicitada por tensõesque surgem devido à diferença de temperatura entre as regiões superior e inferior de suaseção transversal. A região superior do tubo tende a se alongar e a inferior tende a conter estealongamento, o que faz aparecer tensões longitudinais no tubo. Assim, surgirão tensões axiaisna tubulação, resultantes da tendência ao encurvamento do tubo no sentido longitudinal(efeito banana visto na Figura 1). Na interface de separação entre a camada fria e a camadaquente do fluido, a seção transversal do tubo fica tracionada na parte inferior e comprimidana parte superior. Este fenômeno provoca o aparecimento de tensões circunferenciais quetendem a deformar a seção circular do tubo, como mostrado na Figura 2. Outro fenômeno queocorre devido à estratificação térmica é uma flutuação significativa na temperatura local entreas camadas dos fluidos, denominado de ciclagem térmica, o qual pode causar fadiga térmicade alto ciclo e trincas nas imediações da superfície interna da parede do tubo.

Deformação devidaà diferença de temperatura

Figura 1 Deformação Devida à Diferença de Temperatura na Seção Transversal

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Tensõesna Seção

Figura 2 Tensões na Seção Transversal do Tubo

Pela característica de operação de um reator a água pressurizada, a água dos circuitosprimário e secundário percorre ciclos fechados, sofrendo variações de temperaturas em seupercurso, favorecendo o fenômeno de estratificação térmica, que pode ocorrer também naentrada em operação e nos desligamentos da central e em alterações de potência. Os locaiscom maior potencial para sofrer a estratificação térmica são a linha de surto do pressurizador,as linhas de refrigeração de emergência do núcleo, as linhas de remoção do calor residual, aslinhas de pulverização do pressurizador e as linhas de carga (pernas quentes e frias). Dentreestas linhas, três são mais sensíveis ao fenômeno[2]: as pernas quente e fria do reator; a linhade surto do pressurizador e o bocal de injeção de água do circuito secundário no gerador devapor.

2.1 O Modelo Utilizado e Simplificações

A seção de testes para realizar os experimentos manterá a faixa de número de Froude para oescoamento do experimento entre 0,02 e 0,2. A faixa de número de Froude normalmenteencontrada nas centrais nucleares tipo RAP (PWR) é de 0,02 a 0,2 e, uma análise preliminarda seção de testes, mostrou que é possível realizar experimentos com números de Froudenesta faixa. Com números de Froude nesta faixa, espera-se realizar experimentos com amplafaixa de mistura dos fluxos de fluidos e de gradientes de temperaturas. O circuitoexperimental, onde serão realizados os experimentos, não permite utilizar pressões acima de23bar, o que reduz a temperatura máxima que a água pode trabalhar, enquanto que no bocalde injeção do gerador de vapor a pressão vai a 64bar. No experimento, a temperatura máximade trabalho será de 210oC e no gerador de vapor a temperatura é de 280oC. As temperaturassão importantes na caracterização da estratificação térmica e serão medidas diametral ecircunferencialmente em três pontos ao longo do comprimento horizontal do tubo,identificando a formação da estratificação térmica e a correlação desta com as deformaçõessofridas pelo tubo. A amplitude das oscilações da camada de separação será determinada porum conjunto de cinco termopares com espaçamento de 2mm entre eles. A freqüência dasoscilações é estabelecida como sendo o inverso do tempo de variação da temperaturadetectada pelos termopares, sem considerar o tempo de resposta dos mesmos.

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As deformações impostas à tubulação pela estratificação térmica serão medidas porextensômetros Tipo Roseta, fixados na parede externa do tubo nas posições I, II, III, A e B,vistas na Figura 3. Os valores das deformações serão utilizados como parâmetros pararealizar os ensaios de fadiga nos corpos de prova retirados do tubo ensaiado e do materialpreservado.

O fluido utilizado nos experimentos será água, e em um reator RAP, a água utilizada contémácido bórico, o que altera suas propriedades químicas e físicas, tornando-a mais corrosiva.

2.2 Fadiga Térmica

Fadiga térmica é um modo de falha que origina danos e promove o crescimento destes emcomponentes estruturais. A origem dos danos está nas variações da energia interna doscomponentes, causadas por múltiplos ciclos térmicos ou por oscilações de temperatura. Emconseqüência da fadiga térmica, um componente mecânico pode sofrer variações em suageometria, o seu material pode sofrer variações de propriedades e trincas podem surgir. Afadiga térmica origina-se basicamente na ciclagem térmica ou em variações periódicas detemperaturas, combinadas com a contenção parcial ou total da expansão térmica docomponente. A contenção da expansão térmica pode ser devida a fatores externos e internos.As contenções externas produzem esforços que atuam alternadamente no componente quandoele for aquecido e resfriado. Já as contenções internas podem resultar de gradientes detemperaturas, de anisotropia do material e de diferentes coeficientes de expansão de grãos oude fases adjacentes do material. Uma definição possível para fadiga térmica pode ser: "Fadigatérmica é a deterioração gradual e eventual quebra de um material por aquecimentos eresfriamentos alternados durante os quais a expansão térmica é parcial ou totalmenterestringida"[4]. Um componente submetido à fadiga térmica deve ser projetado para prevenirdanos inaceitáveis e, para isto, o número de ciclos de fadiga esperado deve ser menor do queo número máximo de ciclos de fadiga determinado pelo código de projeto.

Em uma central nuclear, devido a vários fenômenos térmicos, algumas de suas tubulaçõessofrem tensões térmicas, que têm suas origens na flutuação da interface entre as duascamadas de água a diferentes temperaturas. Nesta interface, dependendo das condições deescoamento, forma-se uma ondulação entre as duas camadas, causando a ciclagem térmica domaterial.

3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

A seção de testes constitui-se de um tubo em aço inoxidável Tipo AISI 304 na posiçãohorizontal, com diâmetro externo de 141,3mm, parede de 9,5mm de espessura e comprimentode 2.000mm (Figura 3). As dimensões e geometrias da seção de testes foram projetadas parase estudar o fenômeno de estratificação térmica da maneira mais abrangente possível. Paramedir as temperaturas de estratificação térmica do fluido e também as deformações da seçãode testes, foram definidas posições de fixação de termopares e de extensômetros em seisposições de medição ao longo do comprimento horizontal da seção de testes, vistas na Figura3. As seções I, II e III serão instrumentadas com termopares e com extensômetros. As seçõesA e B terão apenas extensômetros e na seção A serão montados dois termopares e umextensômetro. Os extensômetros serão fixados suficientemente afastados das perfurações daparede da seção de testes para que suas medidas não sofram interferência delas.

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Figura 3 Esboço da Seção de Testes

Para estudar a influência do fenômeno da estratificação térmica no material do tubo, foiestabelecido um conjunto de testes semelhante ao estabelecido para o estudo termo-hidráulicodeste fenômeno (30 testes). A variação do número de Froude, na faixa de 0,02 a 0,2, seráconseguida alterando-se a velocidade média de injeção da água fria, entre os valores de0,0099 e 0,0989m/s e, pela variação da temperatura da água quente de 140oC a 219oC. Ummaior número de experimentos serão realizados para baixos números de Froude, quepropiciam uma estratificação térmica mais acentuada. Os experimentos serão realizados emsua maioria para números de Froude até 0,05.

Durante os experimentos surgirão ondulações na interface dos fluidos com freqüênciamáxima de 1Hz[1] e amplitude máxima(em h=0,5D) de 5mm, para números de Froude de0,02 a 0,2. As amplitudes serão medidas por um dispositivo contendo 5 termopares espaçadosde 2mm, podendo a amplitude máxima, em função das vazões do experimento, ocorrer emposição diferente de h=0,5D, sendo maiores na região próxima à parede do tubo[1].

4. RESULTADOS A SEREM OBTIDOS

Os resultados experimentais permitirão traçar curvas do perfil de temperatura na parede dotubo, da distribuição de temperatura no fluido e das tensões e deformações na tubulação daseção de testes. A distribuição de temperatura no fluido, determinada pela estratificaçãotérmica, tem relação direta com o perfil de temperatura na parede do tubo. Assim, as medidasda velocidade do fluxo de água injetada e da diferença de temperatura entre a água fria e aquente, serão de grande importância para os experimentos. As temperaturas da parede externada seção de testes deverão ser correlacionadas com as deformações medidas.

Para analisar as cargas térmicas induzidas na tubulação, serão necessários modelos de análiseestrutural de tubulações sujeitas a estas condições de carregamento. A análise pode ser feita

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utilizando-se métodos clássicos de engenharia ou métodos de elementos finitos. Na análisedeve-se considerar a relação entre as propriedades do material e as cargas térmicas, tanto noregime transiente quanto no regime estacionário. Com estes valores deseja-se validar umprocedimento numérico que auxiliará estudos futuros.

A freqüência e a amplitude das oscilações da interface entre os fluidos frio e quente serão degrande importância para estudar a fadiga térmica. Uma maneira de determinar estes valores évariar a vazão de água fria injetada até a interface se situar na região dos termopares que irãomedi-las. A freqüência das oscilações de temperatura será obtida diretamente da freqüênciade oscilações das temperaturas nos termopares. A amplitude das oscilações será obtida peladistância entre o termopar mais baixo e o termopar mais alto que detectar as oscilações. Poroutro lado, é importante determinar as condições para as quais a estratificação térmica deixade existir, o que se dá quando não houver mais variação de temperatura na seção transversaldo tubo da seção de testes.

Após os experimentos termos-hidráulicos, corpos de provas do tubo da seção de testes e domaterial testemunho deste mesmo tubo serão retirados e submetidos a ensaios de fadiga comdeformação constante. Os resultados dos ensaios de fadiga permitirão levantar as curvas S-Ndo material para estudos comparativos das características mecânicas do aço vigem e do açosubmetido ao fenômeno de estratificação térmica. Conhecendo-se o nível de dano induzidono material do tubo, será possível estimar o tempo de vida de tubulações submetidas aofenômeno da estratificação térmica.

5. CONCLUSÕES

Neste trabalho é apresentada uma proposta de estudo para relacionar os efeitos da fadigatérmica, com origem no fenômeno da estratificação térmica, aos danos causados àstubulações. É buscada uma estimativa da vida de tubulações submetidas à estratificaçãotérmica, baseando-se no nível de danos causados ao material da tubulação. A seção de testesproposta simulará os transientes que ocorrem no bocal de injeção do gerador de vapor.Curvas S-N do material serão levantadas para sua caracterização. Os resultados experimentaisserão utilizados para validar um modelo numérico.

6. BIBLIOGRAFIA

1. Ensel, C., Colas, A. e Barthez, M. – Stress analysis of a 900 MW pressurizer surge lineincluding stratification effects – Nuclear Engineering and Design, Vol. 153, 1995.

2. Jo, Jong Chull; Kim, Yun Il and Choi, Seok Ki – Numerical Analysis of ThermalStratification in Circular Pipe – Journal of Pressure Vessel and Technology – Transactionsof the ASME, Vol. 123 2001.

3. Liu, T. H. and Cranford, E. L. – An investigation of Thermal Stress Ranges UnderStratification Loadings – Journal of Pressure Vessel Technology – Transactions of theASME. Vol. 113, May 1991.

4. Merola, Mario – Normative issues in thermal fatigue design of nuclear components –Nuclear Engineering and Design, Vol. 158, 1995.

5. NRC Bulletin No. 88-08: Thermal Stress in Piping Connected to Reactor Coolant Systems– July 22 1988 – Washington.