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RICARDO MLLER HUPPES

ANLISE DE FALHA EM UM VASO DE PRESSO

Monografia apresentada ao Departa-mento de Engenharia Mecnica da Es-cola de Engenharia da UniversidadeFederal do Rio Grande do Sul, como

parte dos requisitos para obteno dodiploma de Engenheiro Mecnico.

Orientadores: Prof. Dr. Heraldo Jos AmorimProf. Dr. Ignacio Iturrioz

Porto Alegre2009

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Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Escola de EngenhariaDepartamento de Engenharia Mecnica

ANLISE DE FALHA EM UM VASO DE PRESSO

RICARDO MLLER HUPPES

Porto Alegre2009

ESTA MONOGRAFIA FOI JULGADA ADEQUADA COMO PARTE

DOS REQUISITOS PARA A OBTENO DO DIPLOMA DEENGENHEIRO(A) MECNICO(A)

APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELA BANCA EXAMINADORADO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

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HUPPES, R. M. Anlise de Falha em Vaso de Presso. 2009. Monografia (Trabalho deConcluso do Curso de Engenharia Mecnica) Departamento de Engenharia Mecnica, U-niversidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009.

RESUMO

Vasos de presso so equipamentos muito usados em todos os tipos de indstrias con-tendo fludos pressurizados. Por serem equipamentos de alta responsabilidade, sua construodeve ser regida por normas internacionalmente reconhecidas. O rompimento de um vaso de

presso durante o teste hidrosttico, em uma regio onde a princpio no havia razes para aruptura, incentivou a busca pelos principais motivos. Neste trabalho apresentada uma meto-dologia de anlise de falhas que tem por finalidade descobrir as razes do colapso do vaso. Aofinal do trabalho so mostrados os resultados e discusses da anlise e posteriormente apon-tada a causa da falha.

PALAVRAS-CHAVE: Vasos de presso, fludos pressurizados, teste hidrosttico, anlise defalhas.

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HUPPES, R. M. Failure Analysis of a Pressure Vessel. 2009. Monografia (Trabalho deConcluso do Curso de Engenharia Mecnica) Departamento de Engenharia Mecnica, U-niversidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009.

ABSTRACT

Pressure vessels are widely used equipments in all types of industries containing pressu-rized fluids. By being equipment of high responsibility, its construction must be conducted byinternational standards. The disruption of a pressure vessels during the hydrostatic test, in aregion where, at the beginning did not have reasons for it, stimulated the search for the reason.In this work is presented a methodology of failure analysis that has for purpose to discover thereason of the collapse of the vase. In the end of the work the results and discussions of theanalysis are shown and later the cause for the rupture is pointed.

KEYWORDS: Pressure vessels, pressurized fluids, hydrostatic test, failure analysis.

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SUMRIO

1. INTRODUO 01

1.1. Objetivos 01

1.2. Estrutura do Trabalho 02

2. FUNDAMENTOS TERICOS E REVISO BIBLIOGRFICA 02

2.1. Cdigo ASME 02

2.2. Teste Hidrosttico 03

2.3. Resistncia dos Materiais 03

2.4. Tenses longitudinais e Tenses Circunferenciais 04

2.5. Mecnica da Fratura 04

2.5.1. Diagrama FAD 05

3. METODOLOGIA 06

3.1. Apresentao do Problema 06

3.2. A Inspeo 07

3.3. Levantamento de Dados 07

4. ANLISE DE FALHA 08

4.1. Temperatura e Regio da Solda 08

4.2. Defeito no Material 08

4.3. Falha por Corroso 12

4.4. Erro de Projeto 13

4.5. Trincas Pr-Existentes 13

4.6. Excesso de presso 14

5. CONCLUSO 15

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 16APNDICE 17

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1. INTRODUO

Vaso de presso definido genericamente como um recipiente estanque, de qualquer ti-po, que seja capaz de conter um fluido pressurizado. Com esta definio abrangente, se inclu-em neste grupo desde uma simples panela de presso de cozinha at os mais sofisticados rea-tores nucleares. Vasos de presso constituem em uma grande parte das indstrias de processoos elementos mais importantes, maiores em peso, tamanho e custo unitrio, podendo chegarat 60% do custo total dos materiais e equipamentos.

Diferente do que acontece com a maioria dos equipamentos, a grande maioria dos vasosde presso no so objetos de uma linha de fabricao de indstrias, normalmente so feitossob encomenda, com dimenses para atender a cada caso uma determinada finalidade ou con-dies de desempenho. Projetar um vaso de presso inclui no apenas fazer o seu dimensio-namento para resistir a presses e cargas atuantes, como tambm realizar a seleo tcnica eeconmica dos materiais adequados, dos processos de fabricao, peas internas e detalhes.

No Brasil o cdigo usado no projeto e inspeo de vasos de presso o cdigo ASME. Po-rm, estas normas so adequadas para a avaliao de vasos novos, errado utilizar ditas nor-mas na verificao de vasos em uso. Para avaliar a criticidade de defeitos de vasos em uso sedeve utilizar uma norma de adequao ao uso (Fitness for service), as mais utilizadas no Bra-sil so a API579, e a BS7910.

Por serem elementos pressurizados, existe uma preocupao quanto a sua integridadeestrutural, pois em seu rompimento ocorre descompresso explosiva gerando perdas materiaise podendo levar a perdas humanas. Aps a publicao da NR-13 (Norma Regulamentadora)estabeleceram-se critrios mais rigorosos para o projeto, inspeo, manuteno e operao devasos de presso, tendo como objetivo principal a diminuio de acidentes envolvendo estesequipamentos.

1.1. Objetivos

O rompimento de um vaso de presso, visto na figura 2, usado como pulmo para umcompressor de ar, figura 1, durante o teste hidrosttico, chamou a ateno para o estudo deanlise de falhas. O objetivo desta anlise detectar quais os possveis fatores que levarameste equipamento ao colapso, para que estes possam ser entendidos e usados como fonte derealimentao de dados para o projetista. Desta forma a anlise de falha funciona como umaferramenta de trabalho e no apenas como uma investigao que tenha por finalidade achar ocausador do incidente.

Figura 1:Vaso acoplado ao compressor. Figura 2: Vaso aps rompimento no teste hidrosttico.

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1.2. Estrutura do trabalho

O trabalho se estrutura da seguinte forma: aps a introduo apresentada na seo 1, aseo 2 contm a reviso bibliogrfica junto teoria necessria para o desenvolvimento do

trabalho. Na seo 3 discutida a metodologia utilizada no trabalho com a apresentao doproblema e de dados importantes em sua resoluo. Na seo 4 feita a anlise de falhas, on-de se busca o motivo da ruptura. Na seo 5 o trabalho concludo com uma discusso dosresultados obtidos.

2. FUNDAMENTOS TERICOS E REVISO BIBLIOGRFICA

Temas importantes na dissertao desta monografia so a dissertao feita por Jorge dosSantos Pereira Filho (2004) com o ttulo de Anlise de Efeitos de Teste Hidrosttico em Va-

sos de Presso e a apostila de Guilherme Victor P. Donato (2008), Avaliao de Integrida-

de Segundo API-579. Estes dois textos contriburam com uma reviso de conceitos sobremecnica da fratura, curvas FAD (Failure Assessment Diagram), clculos de fatores de inten-sidade de tenso e procedimentos da API-579.

A dissertao de mestrado do Eng. Carlos Alberto Cassou (1999) com o ttulo Metodo-

logia de Anlise de Falhas. Nesta metodologia temos o passo a passo de uma anlise de fa-lha, desde a primeira abordagem a fratura, como proceder, at a descoberta dos possveis fato-res que levaram falha.

A monografia desenvolvida por Pablo Vincius Bassani (2009) sob o ttulo de Avalia-o de Integridade de Vasos de Presso Utilizando a API 579,onde o trabalho foi desenvolvidoem cima do mesmo vaso de presso usado neste trabalho, porm com a finalidade de comprovarse a falha poderia ser gerada por uma trinca pr-existente.

2.1. Cdigo ASME

Todos os projetos em vasos de presso devem seguir algum cdigo internacionalmentereconhecido, como a norma inglesa BS-5500, o cdigo alemo A.D. Merkbatter, o cdigofrancs SNCTTI e o cdigo ASME, mais conhecido e utilizado.

Antes de ser criado um cdigo que padronizasse o projeto de vasos de presso, aciden-tes com equipamentos pressurizados eram comuns e normalmente envolviam consequnciasde grande porte. O cdigo ASME foi criado pela Associao Americana de Engenheiros Me-cnicos e um texto normativo que abrange no apenas critrios, frmulas de clculos e exi-gncias de detalhe de projeto, mas tambm regras, detalhes e exigncias relativas fabrica-

o, montagem e inspeo de vasos de presso bem como os materiais a serem empregados.Ele apresenta-se dividido em sees, sendo que a seo VIII, Pressure Vessels, trata de vasosde presso. Esta seo por sua vez divide-se em trs partes.A diviso 1 contm regras para aconstruo dos vasos, no exigindo uma anlise mais detalhada dos esforos atuantes, sua integri-dade dada atravs de grandes coeficiente de segurana nos clculos. A diviso 2 permite umamelhor anlise das tenses atuantes, e permite a construo de vasos com espessuras menores,visto que esta utiliza fatores de seguranas mais apropriados. A diviso 3 utilizada para vasoscom presso muito elevada.

As normas de projeto foram estabelecidas no s com a finalidade de padronizar e sim-plificar o clculo e projeto de vasos de presso, mas principalmente assegurar as condiesmnimas de segurana para a operao.

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2.2. Teste Hidrosttico

Teste hidrosttico um ensaio aplicado em vasos de presso e outros equipamentos in-dustriais pressurizados como tanques ou tubulaes, com o objetivo de verificar a ocorrncia

de vazamento ou alguma ruptura. Estes testes so realizados com os equipamentos fora deservio atravs da pressurizao, utilizando um fluido incompressvel, at uma grandeza de1,3 vezes a presso mxima de trabalho admissvel (PMTA), simulando uma condio maisrigorosa com o objetivo de garantir que no servio normal no ocorrer falha ou vazamento.Aps meia hora de teste, a presso reduzida em 1/3 e verifica-se visualmente se ocorreualgum vazamento. O teste hidrosttico considerado um ensaio no destrutivo exigido pelaASME, e deve ser realizado periodicamente ou sempre que um equipamento for fabricado,reparado ou transportado.

At o ano de 2004 o teste hidrosttico exigido pela ASME usava um valor de 1,5 vezesa PMTA. Aps a mudana na norma, o valor usado nos testes de 1,3 PMTA. Devido aovaso em questo ser projetado antes desta reviso no cdigo, o valor do teste hidrosttico ser

mantido em 1,5 vezes a PMTA.

2.3. Resistncia dos Materiais

Deformao elstica e Deformao plstica

Todo material quando submetido a um carregamento externo sofre deformao. Estasdeformaes acontecem tanto no sentido da carga como no sentido transversal. Aps a remo-o das cargas, o material voltar a dimenso original ou segue com uma deformao em suaforma. Na figura 3 pode-se ver um grfico de tenso pela deformao. Se um material sofreuma carga do ponto inicial O at o ponto A, e aps a carga ser retirada o material volta assuas dimenses iniciais, este fenmeno chamado de deformao elstica. Se uma carga foraplicada passando do ponto A e chegar, por exemplo, ao ponto B, quando a carga for reti-rada o material retornar em uma reta paralela a reta O-A e sofrer uma deformao perma-nente, expressa pelo ponto C. Aeste fenmeno se d o nome de deformao plstica ouescoamento. No grfico ainda vista a tenso mxima admissvel pelo material, que a partemais alta da curva e o ponto D que o ponto onde ocorre a ruptura do material.

Figura 3: Curva Tenso x deformao

Fratura frgil e Fratura Dctil

Todos os materiais se rompem quando submetidos a cargas na qual a tenso seja maiorque a sua resistncia mecnica. O comportamento ao longo desse processo pode classificar os

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materiais em dois grupos distintos. Os materiais que fraturam sem ceder so classificadoscomo materiais frgeis, estes apresentam fratura frgil e consomem pouca energia antes daruptura. Os que cedem antes de fraturar so denominados materiais dcteis, apresentam fratu-ra dctil e possuem um grande consumo de energia antes de seu rompimento. Em um grfico

de tenso por deformao como a figura 3, os materiais frgeis romperiam antes de chegar aoponto A e os materiais dcteis aps este ponto, ou seja, materiais frgeis no sofrem escoa-mento.

2.4. Tenses longitudinais e Tenses circunferenciais

As tenses normais 1e 2mostradas nas figuras 4 e 5 so as tenses principais aplica-das na superfcie de um vaso de presso. A tenso 1 conhecida por tenso circunferencial, ea tenso 2 denominada tenso longitudinal.

Figura 4: Tenso circunferencial 1 Figura 5: Tenso longitudinal 2

Pela figura 4, a resultante das foras internas 1dA igual ao produto de 1pela rea da

seo transversal 2tx da parede, enquanto que a resultante das foras de presso p dA igual ao produto de p pela rea 2rx .

Resolvendo para a equao de equilbrio Fz= 0,t

rp

1

(2.1)

Na figura 5, as foras que atuam sobre o corpo livre consistem nas foras internas2dA, na parede, onde dA =2rt, e nas foras de presso elementares pdA exercidas na

poro de fluido includa no corpo livre, onde este dA = r2.

Resolvendo para a equao de equilibrio Fx = 0:t

rp

22

(2.2)

Conclui-se que a tenso circunferencial 1 o dobro da tenso longitudinal 2.

No estudo de vasos de presso este conceito fundamental, pois se deve evitar ao m-ximo soldas e outros trabalhos no sentido longitudinal.

2.5. Mecnica da Fratura

Quando um equipamento possui algum defeito, este equipamento reprovvel segundoos cdigos de projeto, entretanto, dependendo do tipo de defeito e das condies de trabalhodeste equipamento, em certos casos, ele pode continuar operando e so nestas situaes queaplicamos a mecnica da fratura.

As propriedades dos materiais normalmente especificadas em cdigos de projetos so atenso de escoamento, E, e o limite de resistncia do material, R, portanto quando for feita aseleo de material para um dado projeto, comparado antes estes valores com os valorestabelados destes materiais, de acordo com um critrio adequado, a fim de se garantir a integri-dade do conjunto.

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Em 1913 Von Mises desenvolveu um dos critrios de resistncia mais utilizados em me-tais, este critrio considera que o material atinge sua resistncia limite quando a energia espe-cifica de distoro do componente, aquela relacionada com a mudana de forma, atinge um

valor critico. Trabalhando algebricamente as expresses, possvel coloc-las em termos detenses caractersticas. A tenso equivalente de Von Miseses para o caso em estudo a tensocrtica num ensaio de trao simples, que igual a tenso de escoamento do material, destaforma a equao que permite verificar o comportamento do material expressa como,

. ( , ) ( , , )mx econdies decontorno geometria material temperatura

Este critrio no leva em conta as falhas que acontecem por fratura frgil e desta formatenta-se corrigir isto com o uso de um elevado coeficiente de segurana. No entanto sabe-seque muitas vezes mesmo com um coeficiente de segurana elevado h um rompimento decomponentes ou estruturas devido a defeitos ou trincas com uma carga bem inferior da cargade projeto. Sob o ponto de vista da mecnica este comportamento caracterizado como frgile neste ponto que surge a mecnica da fratura, atuando como uma ferramenta de suporte eaceitao para projetos com alguma falha. A mecnica da fratura um campo complementar resistncia dos materiais e destina-se a estudos da criticidade de defeitos.

A mecnica da fratura impe conceitos e equaes para determinar se defeitos poderose propagar de uma maneira catastrfica, ou seja, instvel ou se podero ser controlados emonitorados com uma evoluo estvel a fim de que no seja preciso realizar a troca desteequipamento com defeito. Dessa forma a mecnica da fratura no faz comparaes entre ten-ses a fim de se verificar a resistncia do material e sim, faz uma comparao com base emoutros parmetros.

),,(),,( atemperaturmaterialZcontornodecondiesdefeitodotamanhogeometriaZ CrticoI

Onde este ZCrtico a tenacidade fratura do material, para esforos no sentido de abrir atrinca e ZI a intensidade de tenso na ponta da trinca caso esta trinca no existisse.

Mtodos para a determinao do parmetro Z foram gerados por vrios estudiosos den-tre os quais destacamos os estudos de Griffith (1920) com a introduo do coeficiente G, Ir-win (1952) com o coeficiente K, Wells (1961) com o coeficiente COD (), muito usado naEuropa e Japo e J. Rice (1968) com o coeficiente J muito usado nos Estados Unidos.

2.5.1. Diagrama FAD (Failure Assessment Diagram)

O diagrama FAD uma ferramenta que nos permite a avaliao de componentes comdefeitos a fim de se definir se estes defeitos so aceitveis ou no. Este mtodo consiste naconstruo de um grfico no qual so representados dois parmetros. O primeiro o KR, quemede o risco da fratura atravs da mecnica da fratura linear elstica e tem sua forma como arazo entre a intensidade de tenses na regio de uma descontinuidade e a tenacidade do ma-terial. O outro parmetro o LR, que mede o risco de ocorrer um colapso plstico e este arazo entre a tenso localizada na regio da descontinuidade e a tenso de colapso do materi-al.

Na figura 6 representado um diagrama FAD mais moderno que o original. A curva o-riginal deste diagrama iniciava em valores de KRigual a 1 e termina em LR igual a 1. Isso sedeve ao fato de o antigo diagrama FAD no levar em considerao o encruamento dos materi-ais.

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Figura 6: Diagrama FAD (fonte: PEREIRA FILHO 2004)

Os valores de KRe LRso coordenadas do diagrama e representam um ponto cuja inter-

pretao possui dois caminhos distintos. Se o ponto estiver abaixo da curva, a falha no con-siderada crtica e o equipamento pode seguir operando normalmente. Se o ponto est acima dacurva a descontinuidade considerada crtica. Para determinar o tipo de fratura ou sua segu-rana feita uma reta da origem at o ponto. Caso este ponto esteja abaixo da curva, a distn-cia entre a curva e o ponto considerado a segurana do equipamento, caso esteja fora dacurva, o ponto em que a reta cruzar a curva indica o tipo de mecanismo de colapso. Para valo-res baixos de LRespera-se uma fratura frgil assim como para valores baixos de KR de seesperar uma fratura Dctil.

3. METODOLOGIA

3.1 Apresentao do Problema

Na industria usa-se ar comprimido em grande escala, e este deseja-se que esteja em umafaixa de presso conhecida e normalmente que no tenha uma variao elevada. Para isso seutilizam os compressores, onde estes por sua vez, necessitam de um reservatrio normalmentechamado de pulmo de ar. Estes equipamentos possuem um pressostato que liga o compressorassim que a presso cai para um valor pr-determinado e torna a desliga-lo logo que a pressodesejada atingida. Como j visto anteriormente, o vaso em questo neste trabalho trata-se

justamente de um pulmo de ar, projetado em suas dimenses para suportar certa presso ecarregamentos.

Na parte inferior do casco, o vaso possui um dreno para eventualmente quando nas

paredes dos vaso condensar gua e por gravidade, esta escoar para o fundo do vaso, se tenhauma maneira de dren-la. Esta drenagem deve ser realizada com frequncia pois a gua que seforma no fundo do vaso facilita o processo de oxidao e corroso. Os esforos ao longo dotempo podem vir a provocar descontinuidades significativas, embora o vaso seja pintado pordentro para dificultar esta corroso.

Outro detalhe importante deste pulmo de ar o fato de possuir uma solda longitudinalao longo de sua lateral. O fato desta solda ser na lateral do vaso no foi ao acaso, dado que olocal de uma solda a regio mais propcia a iniciao de falhas por ser onde o material sofrealteraes microestruturais e se apresentam tenses residuais. Ainda tem o fato de que

processos de soldagem esto sujeitos a defeitos como falta de penetrao, falta de fuso eoutros. Por este motivo a solda longitudinal deste vaso se encontra na sua lateral, pois seestivesse localizada na parte inferior do vaso, poderiam somar-se os efeitos da solda com osda corroso dando mais chances ao rompimento. Na parte inferior ainda tem a presso decoluna dgua do teste hidrosttico que embora neste caso seja uma carga muito pequena em

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relao a presso interna, mais um fato a ser observado j que este o local que o vasosofreu a fratura.

3.2 A Inspeo

Na inspeo do vaso foi feita uma verificao visual externa, procurando algumadeformao, corroso ou formao de trincas, depois foi medida a espessura por ultrassom eaps isso foi realizado o teste hidrosttico. Com a medio de espessura, observou-se que ovaso de presso estava dentro das dimenses de projeto, com espessuras das paredes variandoentre 2.9 mm e 3.2 mm. O dimensionamento do vaso em seu exterior tambm estava deacordo com o projeto, sendo o vaso um cilindro horizontal de tampos toriesfricos.

Aps inspeo externa e verificao de espessura, verificou-se que o vaso estava prontopara o teste hidrosttico. feita ento a realizao do teste, durante o qual ocorreu a falha dovaso. De acordo com os tcnicos que realizaram o teste, o vaso rompeu antes da presso de1,91 MPa sem eles notarem qualquer vazamento. Na figura 7 pode-se notar a grande

deformao plstica que ocorreu antes da fratura. Aps o rompimento foram novamente feitasmedies de sua espessura, principalmente na regio da fratura, e observou-se uma espessuramnima em torno de 2,4 mm como pode ser observado na figura 8.

Figura 7: Estrico da zona da fratura. Figura 8: Medio de espessura na regio da fratura.

3.3 Levantamento de dados

Na figura 9 podem ser vistos os dados fornecidos pelo fabricante na etiqueta que ficajunto ao vaso. Entre as informaes, as mais importantes para o presente estudo so a pressode teste hidrosttico (PTH): 19,14 bar (1,914 MPa) e a presso mxima de trabalho admissvel(PMTA): 12,76 bar ( 1,276 MPa).

Figura 9: Etiqueta de fabricao do pulmo.

Segundo o fabricante, o material empregado no vaso de presso um SA-414 Gr D(semelhante a um ao 1015), material comumente usado para a fabricao destes tipos deequipamento. Na seo II do cdigo ASME a tenso de ruptura (rup) para este material que 415 MPa, a tenso de escoamento (esc) 240 MPa, a tenso de admissvel (adm) 118 MPa.

Se o teste hidrosttico 1.5 vezes a presso admissivel, a tenso usada em seu testehidrosttico adm1,5 = 177 MPa, valor este que estaria abaixo da tenso de escoamento que de 240 MPa.

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4. ANLISE DE FALHA

Uma pea ou componente considerado como tendo falhado quando ocorre uma dastrs seguintes condies:

a-

Quando fica totalmente inoperante;b-Quando ainda opera, mas no consegue mais cumprir sua funo satisfatoriamente;c- Quando ocorre uma sria deteriorao, tornando-o inconfivel ou inseguro para con-

tinuar operando, precisando ser removido para reparo ou ser substitudo.Em uma anlise de falha feito um estudo sobre todas as possibilidades deste equipa-

mento ter falhado. Nesta seo ser visto que existem muitos fatores que podem levar aorompimento em um vaso de presso.

4.1 Temperatura e Regio da Solda

Em vasos de presso submetidos a altas temperaturas pode ocorrer fluncia, esta umadeformao plstica quando o metal fica submetido a cargas constantes e exposto a um ambi-ente de elevadas temperaturas, acima da metade do ponto de fuso da liga. Se um vaso de

presso estiver em temperaturas muito baixas, isso pode fazer com que o material fique comcaractersticas de material frgil o que no desejvel para vasos de presso. Nenhuma dashipteses de temperatura aplicada ao vaso em questo sendo que o rompimento foi em umteste hidrosttico e mesmo em operao, ele no sofre grandes mudanas de temperatura.

A regio da solda um local propcio ao aparecimento de trincas, pois esta regio sofrealterao na microestrutura e um local onde se apresentam tenses residuais, devido a isto,se d grande importncia tanto nos clculos de projeto como nas inspees. Como o presentevaso rompeu em uma regio sem soldas, podemos concluir que este no o motivo do rom-

pimento.

4.2 Defeito no material

Corte do Vaso de presso

Para que pudessem ser feitos todos os testes necessrios em uma anlise de falha, foipreciso cortar a fratura em seu contorno, figura 10, e ainda, fazer a remoo de uma parte dovaso para serem confeccionados corpos de prova para o ensaio de trao. Os cortes foramfeitos a uma distncia de 50 mm da fratura para que sua anlise no fosse prejudicada.

Figura 10:Peas cortadas do vaso para anlise.

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Seleo e Preparao de seo para Anlise Metalogrfica

Para a anlise metalogrfica foram retirados dois pedaos do vaso de pequenas dimen-ses, um no sentido longitudinal e outro no sentido transversal e os dois pedaos foram embu-

tidos em baquelite conforme figura 11. Foi feita uma marcao na parte de traz do baquelitepara se ter controle de qual pea era o corte na longitudinal e o na transversal.Depois de embutidas, as peas precisam ser lixadas, passando por lixas de diferentes

numeraes, que variam com sua rugosidade, ou seja, quanto maior seu nmero menos atritoela gera. As lixas usadas foram, em ordem, a lixa 120, 220, 320, 400, 600, 1200, sendo que

para se passar de uma lixa para outra no se deve existir resqucios da lixa anterior. Portantofaz-se o uso da lixa em um sentido e quando se passa de uma lixa para outra gira-se o baqueli-te em 90.

Depois de se ter passado por todas as lixas, necessrio fazer o polimento da superfciepara eliminar as ranhuras da rea a ser analisada, e aps isso, feito um ataque qumico comcido ntrico 2% em lcool etlico para se visualizar a microestrutura em um microscpio.

Por se tratar de um material de baixo carbono, 0.13% conforme ser visto a seguir naanlise qumica, pode-se ver a formao de ferrita (parte clara) e perlita (parte escura) nasfotos tiradas pelo microscpio, figura 12. Na foto se percebe tambm o sentido da laminaoda chapa em sua microestrutura.

Figura 11: Amostras embutidas em baquelite Figura 12: Vista do material no microscpio 500x.

Anlise Qumica:

Faz parte da anlise de falhas, a anlise qumica das peas para verificar se o material seenquadra dentro das especificaes recomendadas. Para se fazer a anlise qumica da peano preciso fazer uma grande preparao como se faz para uma analise em microscpio. Naanlise qumica, apenas se retira um pedao do material e caso necessrio, remove-se a tinta ese faz a limpeza. Na figura 13 pode-se ver o material de onde foram obtidas as amostras sub-metidas anlise qumica. A figura 14 contm a percentagem de cada substncia qumica

presente no material onde o resultado mais importante o percentual de carbono (0,13%).Com uma leve diferena entre os resultados obtidos e a composio especificada no deve serconcludo que tal desvio seja responsvel pela falha.

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Figura 13: Foto do metal aps anlise Figura 14: Concentrao dos elementos na liga do vaso.qumica.

Ensaio de dureza:

Para ser obtido o valor da dureza do material, foi realizado o teste de dureza Vickers.

Este teste consiste em marcar o material com uma ponta de diamante na forma de uma pir-mide reta de base quadrada e um ngulo de 136 entre as faces opostas utilizando uma cargaque varia de 1 a 100 kgf. A carga aplicada de 10 a 15 segundos fazendo com que a peafique com a aparncia, vista no microscpio, da figura 15. Aps isso so medidas as diagonaisda pirmide utilizando ainda o microscpio e calcula-se a rea da superfcie inclinada. A du-reza Vickers o resultado da diviso entre a carga e a rea da pirmide.

Figura 15: Foto da pea aps teste de dureza Vickers (500x).

Foram feitas cinco medidas de dureza nas peas no sentido longitudinal do vaso e cincomedidas de dureza no sentido transversal. Os resultados nos sentidos longitudinais e transver-sais dos cortes foram muito semelhantes, de onde se conclui que a dureza nos dois sentidos a mesma. O valor da dureza aps uma mdia dos valores ficou em 185 HV (Vickers).

Ensaio de trao:

O principal objetivo ao se fazer este ensaio de trao comparar a reduo de espessurados corpos de prova com a reduo de espessura do vaso de presso aps o colapso.

Para fazer o ensaio de trao necessitava-se de corpos de prova padronizados. Os corposde prova escolhidos so do tipo gravata e foram feitos de acordo com a especificao 1 dafigura 16, (ASTM E 8M).

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Figura 16: Formato dos corpos de prova tipo gravata para ensaio de trao.

Os corpos de prova foram confeccionados por uma mquina de corte por eletroeroso, eaps isso ensaiados at sua ruptura, figura 17.

Figura 17: Corpos de prova aps ensaio de trao.

O ensaio de trao um teste feito em corpos de prova de dimenses pr-determinadaspor uma norma onde feito o seu tracionamento at a ruptura. Atravs deste ensaio, vriosparmetros podem ser medidos como poder ser visto na tabela 1. Nesta tabela podem servistos os resultados dos ensaios de trao para os trs corpos de prova testados.

Tabela 1: Resultados para o ensaio de trao.

Alm da tabela, o ensaio de trao gera uma curva da Tenso (MPa) x Deslocamento(mm) para cada corpo de prova. O presente grfico, figura 18, mostra a curva tenso x deslo-camento para os trs corpos de prova. No grfico ainda se pode observar os pontos principais

como tenso de escoamento, tenso mxima e tenso de ruptura.

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Figura 18: Grfico Tenso x Deslocamento dos trs corpos de prova.

Com os valores das espessuras dos corpos de prova aps o ensaio de trao chegamos aresultados muito prximos dos valores das espessuras medidos na regio da fratura. Em umensaio de trao a deformao mais lenta, portanto se espera que a diminuio da espessuraantes do rompimento seja maior do que em um teste hidrosttico, onde os valores da pressose elevam muito rpido devido ao lquido utilizado ser incompressvel.

Todos os resultados da anlise em relao ao material condizem com os valores ousubstncias esperados de acordo com o projeto. Na verdade uma quantidade muito pequena defalhas resulta de defeitos do material ou da sua utilizao em casos inadequados.

4.3 Falha por Corroso

Como j visto anteriormente, dentro dos pulmes dos compressores de ar h a formaode gua devido condensao do ar. Esta gua se deposita nas paredes do vaso e por gravida-de desce para o fundo. Para solucionar este problema existem drenos no fundo do vaso paraque frequntemente se possa retirar a gua. Sabe-se que muitas vezes essa drenagem no feita com a frequncia desejada e devido a isto, ser verificado se uma corroso interna podeser uma possvel causa da ruptura.

Aps o rompimento do vaso as menores espessuras de seu casco foram encontradas aolongo da fratura com o valor mnimo de 2.4 mm. Portanto, o clculo do vaso de presso ser

feito como se tivesse em todo o seu casco uma espessura de 2.4 mm e desta forma, caso ovaso no romper, a hiptese de rompimento por perda de espessura devido corroso estdescartada.

Tampos:

Mesmo no sendo os tampos a regio que ocorreu o rompimento, ser feito um rpidoclculo da espessura mnima requerida. Os tampos so toriesfricos com r = 6%D e L=D. Aequao para espessura mnima requerida ,

C

PSE

PLe

1,0

885,0 (5.1)

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Onde e a espessura mnima para presso interna, P a presso interna de projeto, L o raio da coroa central, que coincide com o dimetro do cilindro, S a tenso admissvel (nocaso foi usada tenso de escoamento, pois se deseja saber a espessura mnima antes do mate-rial escoar) e E o coeficiente de eficincia da solda. C uma margem para corroso, eroso

ou usinagem. No caso foi usado zero, pois se deseja saber a espessura mnima.

Dessa forma o valor de espessura mnimo nos tampos de 2,07 mm.

Casco:

No clculo da espessura mnima para o casco usado,

CPSE

PRe

6,0 (5.2)

Com esta frmula encontra-se um resultado de espessura mnima para o casco de 2,37mm. Foi usado um coeficiente de eficincia de solda, E, igual a 1 pois no vaso em questo afratura no aconteceu na regio da solda.

Portanto, mesmo com o caso extremo de uma espessura de 2,4 mm em todo o vaso, ocolapso no ocorreria.

4.4 Erro de Projeto

Na seo 4.3, para suportar as presses de trabalho, o vaso deveria ter no mnimo umaespessura de 2,07 mm nos tampos e 2,37 mm no casco. Agora calcula-se atravs de uma es-

pessura de 2,9 mm, que a mnima espessura medida antes do rompimento, qual a pressomxima de trabalho admissvel, sua PMTA.Nos tampos toriesfricos a PMTA dada pela equao,

eL

eSEPMTA

1,0885,0 (5.3)

Encontra-se a partir dela um valor de PMTA = 1,786 MPa.

No casco sua PMTA dada pela equao,

eR

eSEPMTA

6,0 (5.4)

Para o casco o valor , PMTA = 2, 19 MPa.Como o vaso possui uma presso mxima de trabalho admissvel igual a 1,28 MPa, o

projeto est de acordo, no sendo este o culpado pelo colapso.

4.5 Trincas pr-existentes

Este vaso de presso j foi tema de um trabalho de concluso feito por Bassani 2009,onde o objetivo do mesmo era verificar se alguma trinca poderia ter causado o rompimento dovaso. Chegou-se a concluso comos clculos realizados que defeitos do tipo trinca no so crti-

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cos para um equipamento com estas caractersticas construtivas e uma trinca necessitaria ser degrande magnitude para causar o colapso do vaso de presso.

Mesmo assim, sero mostrados atravs da tabela 2, os valores necessrios de tamanhos detrinca para que ocorresse a falha. Foram abordados trs tipos bsicos de trincas, as semi-elipticas,

as infinitas e as passantes.Tabela 2: Resultados de KR e LRpara diferentes tipos e tamanhos de trincas. (fonte: BAS-

SANI, P. V. Avaliao de Integridade de Vasos de Presso Utilizando a API 579)

Figura 19: Resultados obtidos plotados no diagrama FAD (fonte: BASSANI, P. V. Ava-liao de Integridade de Vasos de Presso Utilizando a API 579)

Como se pode observar na figura 19, os pontos encontram-se abaixo da linha do dia-grama FAD, os pontos que esto acima da linha so de dimenses que em uma simples inspe-o visual poderiam ser percebidos. Se uma trinca dessa magnitude ocorresse durante o teste

hidrosttico seria detectada pelo vazamento de gua.

4.6 Excesso de Presso

Uma diminuio significativa de espessura na regio em torno da trinca uma indicaoclara de que houve uma conformao plstica do material antes da ruptura. Com os resultadosobtidos no ensaio de trao, onde a reduo de espessura dos corpos de prova chega a 29% e amedio de espessura no vaso aps o rompimento, que chega a uma reduo de 25%, pode-seconcluir que esta conformao plstica ocorreu devido s cargas internas no vaso de pressoultrapassarem a tenses de escoamento do material.

Este excesso de presso pode ter ocorrido por descuido dos operadores, por equipamen-tos mal calibrados, por algum entupimento em conexes que chegavam ao manmetro ousimplesmente o mau funcionamento do manmetro.

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5. CONCLUSO

Durante o desenvolvimento do trabalho, buscou-se identificar e estudar os principaismecanismos que levaram ao rompimento do vaso de presso. Em uma anlise de falhas, so

feitos os passos descritos neste trabalho com a finalidade de no existir precipitaes na de-terminao do causador do colapso.Logo no inicio do trabalho os principais suspeitos para a ruptura do vaso eram a corro-

so e o excesso de presso, pois defeitos no material so raros de acontecer e o projeto destevaso de presso no um projeto isolado, este mesmo equipamento usado em inmeros lu-gares diferentes sob as mesmas condies. Aps checarmos as hipteses verificamos que o

provvel motivo da falha foi o excesso de presso imposto no vaso.

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REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

TELLES, P. C. S. Vasos de Presso. 2.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007.

BRANCO, C. M. Fadiga de Estruturas Soldadas. Lisboa: Fundao Calouste Gulbenkian,1986.

POPOV, E. P. Introduo Mecnica dos Slidos. So Paulo: Edgard Blcher Ltda., 1996.

DONATO, G. V. P. Avaliao de Integridade Estrutural API 579/ASME FFS-1 FitnessFor Service. Vitria, 2008.

ASME, Section VIII, Division 1. Boiler & Pressure Vessel. 2004.

ASME, Section II, Part D. Material Properties (Metric). 2004.

PEREIRA FILHO, J. S. Anlise de Efeitos de Teste Hidrosttico em Vaso de Presso, Disser-tao de Mestrado. 2004.

CASSOU, A. C. Metodologia de Anlise de Falhas, Dissertao de Mestrado. 1999.

BASSANI, P. V. Avaliao de Integridade de Vasos de Presso Utilizando a API 579.

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APNDICE

Tabela A1: Formulrio: Perda de Espessura conforme API-579.

Tabela A2: Formulrio para determinao da Razo de Tenacidade conforme API-579.