O que é Fadiga Térmica – Definição

Fadiga Térmica

A fadiga térmica é um tipo específico de mecanismo de falha por fadiga que é induzido por tensões cíclicas (expansão e contração térmica) de flutuações repetitivas na temperatura (aquecimento e resfriamento) do equipamento. Este tipo de fadiga é muito importante especialmente na engenharia de energia, aeronáutica e engenharia automotiva.

Tensões térmicas surgem nos materiais quando eles são aquecidos ou resfriados. As tensões térmicas afetam a operação das instalações, tanto por causa dos grandes componentes sujeitos a tensões quanto porque são efetuadas pela maneira como a planta é operada. No resfriamento, tensões de tração residuais são produzidas se o metal for impedido de se mover (contrair) livremente. As rachaduras de fadiga podem iniciar e crescer à medida que o ciclo continua. As concentrações de tensão podem ser reduzidas por meio de alterações de projeto apropriadas que levem em consideração a expansão e a contração térmicas. Por exemplo, loops de expansão e foles em sistemas de tubulações e tubulações de temperatura elevada aproveitam esse princípio. Em usinas nucleares, os limites de taxa de aquecimento e esfriamento são baseados no impacto na futura vida de fadiga da usina. Os limites de aquecimento e resfriamento garantem que a planta s vida em fadiga é igual ou maior que a vida operacional da planta. Além disso, as modificações do projeto da planta incluem, por exemplo, o aquecimento dos tanques ou reservatórios de água do Sistema de Resfriamento Central de Emergência (ECCS) para reduzir a diferença de temperatura entre a água injetada e o material do RPV.

Em usinas nucleares, os requisitos fundamentais durante o projeto e a fabricação para evitar falhas por fadiga são diferentes para casos diferentes.

• Pressurizador. A pressão no circuito primário dos PWRs é mantida por um pressurizador, um vaso separado que é conectado ao circuito primário (hot leg) e parcialmente preenchido com água que é aquecida até a temperatura de saturação (ponto de ebulição) para a pressão desejada por meio de eletricidade submersa aquecedores. Para um pressurizador, as variações de carga são bastante baixas, mas a frequência do ciclo é alta. Portanto, um aço de alta resistência à fadiga e de alta resistência à tração é desejável.
• Vaso de pressão do reator. O corpo do vaso do reator é construído em aço carbono de baixa liga de alta qualidade e todas as superfícies que entram em contato com o refrigerante do reator são revestidas com um mínimo de cerca de 3 a 10 mm de aço inoxidável austenítico para minimizar a corrosão. O vaso de pressão do reator e a tubulação, ao contrário, estão sujeitos a grandes variações de carga, mas a frequência do ciclo é baixa; portanto, alta ductilidade é o principal requisito para o aço. Mangas térmicas são usadas em alguns casos, como bicos de pulverização e linhas de aumento, para minimizar tensões térmicas. Os limites de taxa de aquecimento e esfriamento são baseados no impacto na futura vida de fadiga da planta. Os limites de aquecimento e resfriamento garantem que a vida de fadiga da planta seja igual ou maior que a vida operacional da planta. Além disso, as modificações do projeto da planta incluem, por exemplo, o aquecimento dos tanques ou reservatórios de água do Sistema de Resfriamento Central de Emergência (ECCS) para reduzir a diferença de temperatura entre a água injetada e o material do RPV.
• Tubulação Primária. A maioria das falhas por fadiga mecânica em tubulações são resultado de vibrações que não são ocorrências incomuns. Praticamente todo sistema de tubulação que contém um fluido fluindo exibe algum grau de vibração. A causa da vibração pode ser diferente. Pulsações de pressão e movimento de equipamentos rotativos conectados estão entre as causas mais comuns de vibração em sistemas de tubulação.
• Geradores de Vapor. Geradores de vapor são trocadores de calor usados ​​para converter água de alimentação em vapor a partir do calor produzido no núcleo de um reator nuclear. Cada gerador de vapor pode conter de 3000 a 16000 tubos, cada um com cerca de 19 mm de diâmetro. Se o fornecimento de água de alimentação do gerador de vapor falhar por qualquer motivo, medidas de emergência devem ser tomadas rapidamente e isso é feito por um sistema de introdução de água fria na carcaça do gerador de vapor para evitar que o feixe de tubos e a placa de tubos superaqueçam perigosamente. Para evitar choque térmico severo, especialmente no espelho Se o fornecimento de água de alimentação do gerador de vapor falhar por qualquer motivo, o sistema de alimentação de água de emergência inicia sua ação e introduz água fria no gerador de vapor para evitar que o feixe de tubos e o espelho superaqueçam perigosamente. Isso causa tensões significativas, especialmente no espelho.

Embora a causa primária do fenômeno de falha por fadiga não seja bem conhecida, ela aparentemente surge da formação inicial de uma pequena trinca resultante de um defeito ou deslizamento microscópico nos grãos do metal. A trinca se propaga lentamente a princípio e depois mais rapidamente quando a tensão local é aumentada devido a uma diminuição na seção transversal de suporte de carga. O metal então fratura. Falha por fadiga pode ser iniciado por rachaduras e entalhes microscópicos e até mesmo por marcas de retificação e usinagem na superfície; portanto, tais defeitos devem ser evitados em materiais submetidos a tensões (ou deformações) cíclicas. As operações da planta são realizadas de maneira controlada para mitigar os efeitos do estresse cíclico. Limitações de aquecimento e resfriamento, limitações de pressão e curvas de operação da bomba são usadas para minimizar o estresse cíclico.

Referência especial: Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.

Ciência de materiais:

1. Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
2. Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Fadiga