Implementação de uma metodologia numérica para a análise de fadiga em juntas soldadas

Abstract

Nos últimos tempos, novos conceitos de projeto para fadiga são impulsionados pela busca de segurança e redução de custos de manutenção. Esses conceitos são utilizados em diferentes industrias como de petróleo, gás, nuclear e processos, vinculados pela necessidade de ampliação energética e restrições econômicas. Nesse contexto, o regime de trabalho destas estruturas passou a operar com capacidade máxima, sendo necessárias recorrentes avaliações dos componentes mais suscetíveis à falha. Estas falhas observam-se, principalmente, em juntas soldadas. Isso ocorre, devido aos efeitos induzidos por soldagem, como a introdução de tensões térmicas, alterações na microestrutura e deformações plásticas, que contribuem com o início e crescimento de trincas no material. Assim, no presente estudo, buscou-se desenvolver uma metodologia integrada do problema de integridade estrutural em componentes soldados. Tendo essa, ênfase ao problema de tensões residuais e trincas curtas, nas suas diferentes consequências para a previsão da vida de fadiga. Para isso, realizou-se o cálculo das tensões residuais através de técnicas de elementos finitos. As geometrias utilizadas no estudo foram o corpo de prova compacto de tração (ASTM E649) e duto, sendo o material de ambas o aço inoxidável SUS 304. A influência das tensões residuais, na vida em fadiga, foi observada por meio das abordagens de superposição e fechamento de trinca, aplicadas nos modelos de Newman e NASGRO. No cálculo de propagação, devido a uma grande sensibilidade quanto ao tamanho inicial do defeito, modelado como trinca, foi necessária uma razoável indicação sobre a ordem de grandeza que os eventuais defeitos, pré-existentes no material, apresentam. Deste modo, foram utilizadas indicações advindas da probabilidade de detecção em ensaios não destrutivos. Além disso, no modelo NASGRO, um limiar de propagação para trincas fisicamente curtas, foi inserido, caracterizando tal regime. Estes procedimentos descritos combinados, aplicados em vários casos, resultaram em uma metodologia integrada do problema de integridade estrutural e de seu monitoramento em campo.

Abstract: In recent times, new design concepts for fatigue are driven by the search for safety and maintenance cost reduction. These concepts are used in different industries such as oil, gas, nuclear, and processes, linked by the need for energy expansion and economic restrictions. In this context, the working regime of these structures began to operate at maximum capacity, requiring recurrent evaluations of the components most susceptible to failure. These failures are mainly observed in welded joints. This occurs due to the effects induced by weldings, such as the introduction of thermal stresses, changes in the microstructure and plastic deformations, which contribute to the initiation, and growth of cracks in the material. Thus, in the present study, we sought to develop an integrated methodology for the problem of structural integrity in welded components. With that in mind, emphasis on the problem of residual stresses and short cracks, in their different consequences for the prediction of fatigue life. For this, the residual stresses were calculated using finite element techniques. The geometries used in the study were the compact tensile specimen (ASTM E649) and the duct, both of which were stainless steel SUS 304. The influence of residual stresses on fatigue life was observed using superposition approaches and crack closure, applied to the Newman and NASGRO models. In the propagation calculation, due to a great sensitivity regarding the initial size of the defect, modeled as a crack, it was necessary to reasonably indicate the order of magnitude that any defects, pre-existing in the material, present. Thus, indications arising from the probability of detection in non-destructive tests were used. Furthermore, in the NASGRO model, a propagation threshold for physically short cracks was inserted, characterizing such a regime. These combined described procedures, applied in several cases, resulted in an integrated methodology of the structural integrity problem and its monitoring in the field.