VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA
Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012
ANÁLISE DE FALHA EM UM VASO DE PRESSÃO
Huppes, R.M. *, Iturrioz, I. °, Amorim, H.J. °°
*DEMEC/UFRGS, Rua Sarmento Leite, 425. Porto Alegre-RS, Brasil. [email protected]
° DEMEC/UFRGS, Rua Sarmento Leite, 425. Porto Alegre-RS, Brasil. [email protected]
°° DEMEC/UFRGS, Rua Sarmento Leite, 425. Porto Alegre-RS, Brasil. [email protected]
RESUMO
O rompimento de um vaso de pressão durante o teste hidrostático, em uma região onde a princípio não havia razões
para a ruptura, incentivou este trabalho, no qual é apresentada uma metodologia de análise de falhas que visa
identificar as razões desse colapso segundo abordagens teóricas e práticas. Enquanto a primeira se concentrou na
adequação do projeto do vaso de pressão e sua resposta na eventual ocorrência de uma trinca segundo a mecânica da
fratura, as abordagens práticas adotadas incluíram a avaliação experimental das características do material utilizado e
de suas propriedades mecânicas. A avaliação das características construtivas do vaso de pressão mostrou que a falha
não pode ser atribuída a erro de projeto ou mesmo a trincas pré-existentes – uma trinca de dimensões suficientes para
causar falha teria dimensões que a tornariam facilmente identificável. Os resultados práticos foram comparados às
dimensões na região da fratura, sendo obtidos resultados semelhantes, em termos de redução de espessura, indicando
que a falha não foi causada por defeito do material. Conclui-se que a causa mais provável da falha é a aplicação de
uma pressão acima da indicada durante o teste hidrostático devido a um erro de operação ou falha de equipamento de
medição.
PALAVRAS CHAVE: Vasos de pressão, fluidos pressurizados, teste hidrostático, análise de falhas.
ÁREA TEMÁTICA PRINCIPAL:
06 ENSAIOS Y VERIFICACÕES
INTRODUÇÃO
Um vaso de pressão é definido genericamente como um recipiente estanque, de qualquer tipo, que seja capaz de
conter um fluido pressurizado. Com esta definição abrangente, se incluem neste grupo desde uma simples panela de
pressão de cozinha até os mais sofisticados reatores nucleares. Em grande parte das indústrias de processo, estes
equipamentos estão entre os elementos mais importantes e de maior dimensão, peso e custo unitário, podendo chegar
a 60 % do custo total de materiais e equipamentos de uma planta.
Diferente do que ocorre com outros equipamentos industriais, a grande maioria dos vasos de pressão não é
fabricada em série, sendo muitas vezes feitos sob encomenda, com características e dimensões definidas para atender
a determinada aplicação e condições de desempenho. O projeto de um vaso de pressão inclui não apenas o seu
dimensionamento para resistir a pressões e cargas atuantes, mas também a seleção técnica e econômica dos materiais
adequados, processos de fabricação, componentes internos e detalhes. A norma mais utilizada no projeto e inspeção
de vasos de pressão é o código ASME, seção VIII [1]. Esta norma é adequada principalmente para o projeto e
avaliação de vasos de pressão novos, não sendo de fácil aplicação na verificação de vasos em uso, em especial
quando há existência de trincas. A avaliação de defeitos de vasos de pressão em uso deve utilizar uma norma de
adequação ao uso (Fitness for service), como a API 579 [2].
Por serem elementos pressurizados existe uma preocupação quanto a sua integridade estrutural, uma vez que seu
rompimento acarreta descompressão explosiva do conteúdo gasoso, causando danos materiais e podendo levar a
perdas humanas. Após a publicação da Norma Regulamentadora NR-13 [3] estabeleceram-se critérios mais rigorosos
para o projeto, inspeção, manutenção e operação de vasos de pressão, tendo como objetivo principal a diminuição de
acidentes envolvendo estes equipamentos.
Uma ferramenta essencial na inspeção de vasos de pressão e outros equipamentos industriais pressurizados, como
tanques ou tubulações, é o teste hidrostático. Este teste consiste na pressurização do vaso em uma faixa acima da
pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) utilizando um fluido incompressível, com o objetivo de verificar a
ocorrência de vazamento ou alguma falha no vaso de pressão. O uso de um fluido incompressível deve
principalmente à menor energia e tempo necessários para atingir a pressão de teste e ao fato que, no caso de ser
utilizado ar ou outro fluido compressível, a propagação de uma falha instável pode acarretar explosão, liberando de
forma súbita a energia armazenada. Com o uso de um fluido incompressível, um pequeno vazamento causa forte
queda de pressão, permitindo maior segurança em caso de falha. O teste hidrostático é realizado com o equipamento
fora de serviço. Apesar de ser considerado essencial para garantir a segurança na operação do vaso de pressão, o teste
hidrostático pode estar associado ao colapso do elemento durante sua execução [4] ou ainda ao crescimento
subcrítico de descontinuidades [5], fazendo com que o vaso de pressão esteja, após sua realização, em condições de
inferiores às anteriores.
Atualmente, o Código ASME indica, para a realização do teste hidrostático, uma pressão de teste hidrostático
(PTH) 30 % maior que a pressão máxima de trabalho admissível. O teste simula, assim, uma condição de trabalho
mais rigorosa que a real, visando maior segurança na utilização do equipamento. Após meia hora de teste, a pressão
aplicada é reduzida em 1/3, sendo feita uma inspeção visual à procura de vazamentos. O teste hidrostático é
considerado um ensaio não destrutivo exigido pela ASME, e deve ser realizado periodicamente ou sempre que um
equipamento for fabricado, reparado ou transportado. Até o ano de 2004, o valor indicado para a realização do teste
hidrostático era 50 % superior à PMTA. Este valor ainda é utilizado no teste hidrostático de vasos de pressão
fabricados até esse ano.
APRESENTAÇÃO DO CASO EM ESTUDO
O rompimento de um vaso de pressão usado como pulmão de ar durante o teste hidrostático motivou o presente
estudo de análise de falhas. O objetivo desta análise é detectar quais os possíveis fatores que levaram este
equipamento ao colapso, para que estes possam ser entendidos e usados como fonte de realimentação de dados para o
projetista – ou mesmo indiquem a necessidade de revisar os procedimentos adotados na execução do teste
hidrostático.
O vaso de pressão estudado é do tipo usado como pulmão de ar de um compressor (Fig. 1). Este equipamento
falhou durante o teste hidrostático, em uma pressão significativamente inferior à indicada para a realização deste
ensaio. Até o ano de 2004 o teste hidrostático exigido pela ASME exigia uma pressão de teste hidrostático (PTH)
50 % superior à PMTA. Após a revisão da norma, o valor exigido passou a ser 30 % superior à PMTA. Devido ao
equipamento em questão ter sido projetado antes de 2004, a pressão utilizada no teste hidrostático foi mantida em 1,5
vezes a PMTA, ainda assim insuficiente para causar a falha na ausência de defeitos do material.
Figura 1: Vaso de pressão analisado.
Na parte inferior do casco, o vaso possui um dreno para eventual remoção de água acumulada por condensação.
Esta drenagem deve ser realizada com frequência, pois a água que se forma no fundo do vaso facilita o processo de
oxidação, causando corrosão do material, ainda que este seja recoberto com uma camada de tinta que visa atenuar
este efeito. Outro detalhe importante deste pulmão de ar é o fato de possuir uma solda longitudinal ao longo de sua
lateral. Esta localização é menos sensível aos efeitos da condensação de líquidos que, somada às características
desfavoráveis de soldas (tensóes residuais, alteração microestrutural) e à maior coluna de água durante o teste
hidrostático, poderia potencializar a ocorrência de falhas. Este cuidado se mostrou pertinente, uma vez que o vaso de
pressão falhou nesta região (Fig. 2).
Figura 2: Vaso de pressão após colapso durante teste hidrostático.
As características operacionais do vaso de pressão avaliado são apresentadas na Tabela 1. Essas características
constam da etiqueta de fabricação e incluem faixa de trabalho, pressão de teste hidrostático e a norma em que se
baseou o projeto do equipamento.
Tabela 1: Características operacionais do vaso de pressão analisado.
Volume Interno
PMTA
PTH
Categoria
Norma
Ano de fabricação
183,10 L
12,76 bar (1,276 MPa)
19,14 bar (1,914 MPa)
V
Código ASME, Seção VIII, div. 1
2004
O material utilizado na construção do vaso de pressão é um aço baixo carbono de designação SA-414 Gr D
segundo o código ASME. Este material é de uso frequente em vasos de pressão. Os parâmetros de resistência para
este material, segundo o código ASME, Seção II, são apresentados na Tabela 2.
Tabela 2: Parâmetros de resistência para o aço SA-414 Gr D [6].
Limite de resistência (σ rup )
Tensão de escoamento (σ esc )
Tensão admissível (σ adm )
415 MPa
240 MPa
118 Mpa
AVALIAÇÃO DO PROJETO DO VASO DE PRESSÃO
Uma vez que o vaso de pressão estudado sofreu colapso durante o teste hidrostático, foi realizada uma
investigação envolvendo aspectos teóricos, a fim de identificar possíveis falhas de projeto, e experimental, visando a
identificação das características e propriedades do material do vaso de pressão.
A verificação da adequação do projeto do vaso de pressão às suas condições de utilização foi realizada através da
aplicação das equações de projeto para o casco, tendo em visa a pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) e as
propriedades do material. Uma vez que a ruptura ocorreu no sentido longitudinal do vaso de pressão – relacionada,
assim, à tensão circunferencial no casco – a investigação se limitou a esta região, de modo que a avaliação estrutural
dos tampos não será abordada.
A espessura do casco (t) se relaciona à pressão interna através da Eq. 1, para um vaso de raio interno r e uma
tensão admissível para o material de construção σ Adm . O uso da PMTA permite a obtenção da menor espessura que
permita uma tensão menor ou igual à admissível. Esta equação é derivada da equação para determinação da tensão
circunferencial, que é a mais elevada – e em cujo sentido ocorreu a ruptura do vaso de pressão.
t=
PMTA.r
+C
σ Adm .E − 0,6.PMTA
(1)
Na equação 1, E corresponde ao coeficiente de eficiência da solda e C é o sobrematerial para corrosão, ou seja,
material excedente que visa compensar possíveis efeitos corrosivos do elemento sob pressão (fluido ou gás) sobre o
material do casco. Considerando-se um sobrematerial para corrosão nulo, se obtém a espessura mínima do casco.
Para as condições de operação e material utilizado na construção do vaso de pressão estudado, a espessura mínima
necessária é de 2,37 mm. Uma vez que a inspeção realizada no casco antes da execução do teste hidrostático
apresentou valores de espessura variando entre 2,9 mm e 3,2 mm, não houve erro de projeto – ao menos segundo este
critério. Utilizando a menor espessura medida (2,9 mm) e um coeficiente de eficiência de solda igual à unidade –
uma vez que a ruptura não ocorreu nas proximidades de nenhuma solda –, é possível calcular a pressão máxima de
trabalho admissível para o vaso de pressão sem considerar sobrematerial para corrosão (Eq. 2), cujo resultado é
2,19 MPa – superior tanto à PMTA indicada pelo fabricante quanto à pressão de teste hidrostático, o que confirma a
conformidade do projeto segundo esse critério.
PMTA =
σ Adm .E.t
r − 0,6.t
(2)
Uma análise do mesmo vaso de pressão sob o ponto de vista da mecânica da fratura foi apresentada por
Bassani, 2009, [7] segundo a metodologia definida pela norma API 579. Nessa abordagem, avalia-se o fator de
intensificação de tensão K I resultante da combinação de diferentes tipos e dimensões de trinca em relação à
tenacidade à fratura do material K IC . Sabe-se que, para que haja crescimento de trinca, é necessário que a condição
dada pela Eq. 3 seja atendida, ou seja, que o fator de intensificação de tensão derivado da existência de uma trinca no
material estudado seja maior ou igual à tenacidade à fratura do material:
K I ≥ K IC
(3)
A equação 3 pode ser expressada na forma da razão entre K I e K IC . Se esta razão for maior que a unidade, haverá
tendência de crescimento de trinca, resultando em fratura frágil. A fratura dúctil (colapso plástico) ocorre quando a
tensão no elemento ultrapassa a tensão de escoamento do material, ou quando a razão entre essas tensões é maior que
a unidade. A relação entre as grandezas mencionadas é apresentada na forma de um diagrama chamado FAD
(Failure Assessment Diagram, ou Diagrama de Avaliação de Falha). Para diferentes combinações de carregamentos,
a falha será esperada quando as coordenadas excederem a curva definida pela Eq. 4 e representada, para o vaso de
pressão avaliado, na Figura 3:
2 
 σ 

− 0 , 65
 σ  
KI 
 σ esc 



+
= 1 − 0,14.
.
0
,
3
0
,
7
e

K IC 
 σ esc   


6




(3)
Figura 3: Diagrama FAD para o vaso de pressão estudado [8].
Os pontos representados na Figura 3 correspondem a projeções de tamanhos de trinca e a localização das razões
K I /K IC e σ/σ esc em relação à curva definida pela Eq. 4. As projeções realizadas indicam que uma trinca capaz de
causar a falha do vaso de pressão seria de dimensões elevadas, sendo facilmente identificada em serviço, e
evidenciada por vazamento durante o teste hidrostático. Desse modo, a existência de uma trinca causadora do
colapso foi descartada.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Uma vez que a avaliação teórica das características de projeto do vaso de pressão não identificou nenhuma
deficiência e que a hipótese da existência de uma trinca causadora do colapso foi descartada, foi realizada a
caracterização do material de construção do vaso de pressão e a avaliação experimental de sua resistência através de
ensaios mecânicos.
A caracterização do material incluiu análise química, realizada com um espectrômetro de energia dispersiva de
raios-x, (EDS – enegy dispersive x-ray detector) e metalográfica. Em ambos os casos, amostras foram retiradas de
regiões próximas à fratura, porém fora da região onde ocorreu o colapso. Para a análise metalográfica foram retiradas
amostras orientadas segundo as direções longitudinal e transversal ddo vaso de pressão.
A avaliação das propriedades mecânicas do material foi realizada através de ensaios de tração e dureza. Para
comparação dos resultados obtidos nos ensaios de tração, realizou-se a medição da espessura do vaso de pressão na
região da fratura. Para a realização desses testes, separou-se a região da fratura do casco (Fig. 4), a fim de facilitar o
acesso à superfície interna do vaso de pressão. Os corpos de prova foram retirados do caso na direção
circunferencial, visando a obtenção de condições semelhantes às da região da fratura.
Figura 4: Área onde ocorreu a falha do vaso de pressão e amostra de material para a realização de ensaios.
Os ensaios de tração foram realizados com corpos de prova padronizados de acordo com a norma ASTM E 8M.
Os corpos de prova escolhidos são do tipo gravata, tendo sido retirados do casco do vaso de pressão e usinados em
uma máquina de corte por eletroerosão a fio. A Figura 5 ilustra a geometria e dimensões dos corpos de prova
utilizados.
Figura 5: Dimensões e geometria dos corpos de prova utilizados.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A análise química foi realizada com um espectrômetro de energia dispersiva de raios-x, a partir de uma amostra de
material retirada de uma região próxima à fratura. A composição do material de construção do vaso de pressão
segundo o procedimento conduzido é apresentada na Figura 6. Uma vez que a composição encontrada está de acordo
com a descrita pela seção II do código ASME, descartou-se também a hipótese da falha ter sido causada pelo uso de
material com composição inadequada.
Figura 6: Composição química do material do vaso de pressão.
A análise metalográfica foi realizada em amostras longitudinais e transversais do material do casco do vaso de
pressão. Estas amostras foram retiradas de uma região próxima à falha, orientadas no sentido em que ocorreu a
fratura. Os resultados mostram uma microestrutura de acordo com a esperada para um aço contendo cerca de 0,13 %
de carbono, constituída por ferrita e perlita. A Figura 7 apresenta a micrestrutura do material no sentido da laminação
da chapa.
Figura 7: Análise metalográfica do material do vaso de pressão.
A avaliação experimental das propriedades mecânicas do material de construção do vaso de pressão incluiu a
realização de ensaios de dureza e de tração. A dureza foi medida através do teste Vickers, em que o material é
marcado com uma ponta em forma de diamante sujeita a uma carga pré-estabelecida, sendo a dureza calculada
através da razão entre a carga aplicada e a área da indentação. A Figura 8 apresenta uma amostra do material
avaliado após o teste. A dureza média observada foi de 185 HV tanto no sentido longitudional quanto transversal.
Figura 8: Amostra do material após ensaio de dureza Vickers.
A execução do ensaio de tração foi realizada com os objetivos principais de avaliar as propriedades mecânicas do
aço relacionadas a fratura dúctil e comparar a deformação transversal dos corpos de prova com a redução de
espessura do vaso de pressão após o colapso. A Figura 9 apresenta os corpos de prova após o procedimento. As
curvas tensão/deslocamento obtidas para os corpos de prova testados são ilustradas na Figura 10. Os resultados
obtidos através da análise das curvas tensão/deslocamento são apresentados na tabela 3.
Figura 9: Corpos de prova após ensaios de tração.
Figura 10: Curvas tensão x deslocamento para os três corpos de prova testados.
Tabela 3: Resultados experimentais dos ensaios de tração.
A comparação dos resultados obtidos com as propriedades mecânicas de referência do aço SA-414 Gr D
apresentadas na Tabela 2 mostram maior resistência à tração para o material retirado do vaso de pressão. No entanto,
a tensão de escoamento do obtida experimentalmente é sensivelmente inferior à de referência, sendo 16,7 % inferior
à apresentada na tabela 2. Ainda assim, seu valor é suficientemente superior à tensão admissível indicada, de modo
que só seria atingida caso a pressão de teste hidrostático atingisse 2,66 MPa (26,6 Bar), valor 39 % superior ao
indicado na Tabela 1.
A medição da espessura do material na região onde ocorreu a falha do vaso de pressão apresentou espessura
média de 2,44 mm (Fig. 11). Em comparação com a menor espessura encontrada na inspeção realizada antes da
execução do teste hidrostático (2,9 mm), houve redução de espessura entre 16 e 23,75 %, contra uma média de 26 %
observada nos ensaios de tração. A maior deformação verificada no ensaio de tração se deve principalmente à menor
taxa de aplicação da carga praticada neste – durante o teste hidrostático a pressão aumenta de forma rápida.
Figura 11: Medição da espessura do material na fratura.
Uma redução significativa de espessura na região em torno da trinca é uma indicação clara de que houve uma
conformação plástica do material antes da ruptura. Com os resultados obtidos no ensaio de tração, onde a redução de
espessura dos corpos de prova chega a 29% e a medição da espessura no casco do vaso de pressão após o colapso,
que chega a uma redução de 25%, pode-se concluir que esta deformação plástica ocorreu devido à pressão no interior
do vaso de pressão ter alcançado valores superiores aos indicados, suficientes para causar a falha do equipamento.
CONCLUSÕES
Durante o desenvolvimento do trabalho, buscou-se identificar e estudar os principais mecanismos que levaram ao
rompimento do vaso de pressão durante o teste hidrostático. Não havendo falhas no projeto – o que é esperado, uma
vez que o equipamento avariado é produzido em larga escala –, foi investigada a possibilidade do colapso ter sido
causado por uma trinca pré-existente, hipótese que foi descartada devido às dimensões de uma trinca capaz de causar
a falha dentro da faixa de pressão indicada a tornarem facilmente identificável durante a inspeção conduzida antes do
teste hidrostático ou pela ocorrência de vazamento (fenômeno conhecido como leak before break – vazar antes de
falhar) durante o procedimento.
Tanto a análise da composição química quanto a avaliação metalográfica apresentaram resultados que concordam
com o esperado para o material utilizado na construção do vaso de pressão.
Os resultados obtidos nos ensaios de tração realizados apresentaram diferenças em relação aos valores de
referência apresentados na Tabela 2, em especial no que diz respeito à tensão de escoamento, 16,7 % menor. No
entanto, essa tensão não seria atingida dentro da faixa de operação e nem pela pressão de teste hidrostático indicadas
para o vaso de pressão avaliado. Porém, a comparação entre as características da região fraturada e dos corpos de
prova submetidos ao ensaio de tração indica claramente que a ruptura do vaso de pressão ocorreu devido ao excesso
de pressão aplicada durante o teste hidrostático. Este excesso de pressão pode ter ocorrido devido a erros de
operação, uso de equipamentos em mau estado, devido a alguma obstrução em conexões, impedindo a correta
medição de pressão por parte do manômetro ou mesmo pelo mau funcionamento deste instrumento.
REFERÊNCIAS
1.
ASME - American Society of Mechanical Engineers, ASME Code Section VIII, Division 1: Boiler & Pressure
Vessel. 2004.
2.
API RP579, Fitness for Service: Recommended Practice, First Edition, American Petroleum Institute
Publishing Services, Washington D C, USA, 2000.
3.
Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Norma Regulamentadora 13 do Ministério do Trabalho e
Emprego (NR-13), 2005.
4.
Hayes, B., Six Case Histories of Pressure Vessel Failures, Engineering Failure Analysis, vol. 3, n. 3, pp. 157170, 1996.
5.
Pereira Filho, J.S., Análise de Efeitos de Teste Hidrostático em Vaso de Pressão. Dissertação de Mestrado.
Universidade Federal de Santa Catarina: Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, 2004.
6.
ASME - American Society of Mechanical Engineers, ASME Code Section II, Part D: Material Properties
(Metric), 2004.
7.
Bassani, P.V., Amorim, H.J., Iturrioz, I., Pressure Vessel Failure Analysis. 20th International Congress of
Mechanical Engineering, 2009.
8.
Bassani, P.V., Avaliação de Integridade de Vasos de Pressão Utilizando a API 579. Trabalho de conclusão de
curso, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2009.
UNIDADES E NOMENCLATURA
API
ASME
E
FAD
KI
K IC
PMTA
PTH
r
t
σ Adm
σ Esc
σ Rup
American Petroleum Institute
American Society of Mechanical Engineers
Coeficiente de eficiência de solda (adimensional)
Diagrama de avaliação de falha
Fator de intensificação de tensão (Mpa m1/2)
Tenacidade à fratura (Mpa m1/2)
Pressão máxima de trabalho admissível (MPa)
Pressão de teste hidrostático (MPa)
Raio interno do casco do vaso de pressão (mm)
Espessura da parede do vaso de pressão (mm)
Tensão admissível (MPa)
Tensão de escoamento (MPa)
Limite de resistência (MPa)