Classe III: Partes internas soldadas ao vaso mas não submetidas a esforços principais
(chicanas, defletores, quebra-vórtice, vertedores, etc). Partes
(chicanas, defletores, quebra-vórtice, vertedores, etc). Partes externas soldadas ao vaso, externas soldadas ao vaso, submetidassubmetidas a esforços em operação, como por exemplo, suporte de qualquer tipo (saias, colunas, berços, etc) a esforços em operação, como por exemplo, suporte de qualquer tipo (saias, colunas, berços, etc) elementos de sustentação de escadas, plataformas, tubulações externas, etc. Para os
elementos de sustentação de escadas, plataformas, tubulações externas, etc. Para os suportes, estasuportes, esta classe inclui somente as partes dos suportes diretamente soldadas ao vaso ou muito próximas do classe inclui somente as partes dos suportes diretamente soldadas ao vaso ou muito próximas do mesmo.
mesmo.
Classe IV: Partes internas desmontáveis (não soldadas ao vaso), como por exemplo, bandejas, Classe IV: Partes internas desmontáveis (não soldadas ao vaso), como por exemplo, bandejas, borbulhado
borbulhadores, grades, vigas res, grades, vigas sustentação, distribuidsustentação, distribuidores, feixes tores, feixes tubulares, etc.).ubulares, etc.).
Classe V: Partes de suportes de qualquer tipo não incluídos na Classe III e VI. Para todas as partes Classe V: Partes de suportes de qualquer tipo não incluídos na Classe III e VI. Para todas as partes desta Classe a temperatura de
desta Classe a temperatura de projeto é sempre a projeto é sempre a temperatura ambiente.temperatura ambiente.
Classe VI: Partes externas, diretamente soldadas ao vaso, mas submetidas a esforços apenas em Classe VI: Partes externas, diretamente soldadas ao vaso, mas submetidas a esforços apenas em montagem, manutenção, desmontagem, etc., como por ex. olhais de suspensão, turcos, etc. Para montagem, manutenção, desmontagem, etc., como por ex. olhais de suspensão, turcos, etc. Para todas as partes desta
todas as partes desta Classe a temperatura do projeto é Classe a temperatura do projeto é sempre a temperatura ambiente.sempre a temperatura ambiente. Material Básico do Vaso
Material Básico do Vaso Classe da
Classe da Parte do Vaso Parte do Vaso Considerada
Considerada Aço carbonoAço carbono Aço carbono para baixasAço carbono para baixastemperaturastemperaturas
Aços liga, aços Aços liga, aços inoxidáveis e metais não inoxidáveis e metais não
ferrosos ferrosos II Material Material do do casco casco Material Material do do casco casco Material Material do do cascocasco
IIII Material Material do do casco casco Material Material do do cascocasco Material com o mesmo “PMaterial com o mesmo “Pnumber” do material donumber” do material do casco
casco III
III Aço carbono de qualidadeAço carbono de qualidadeestruturalestrutural Aço carbono para baixasAço carbono para baixastemperaturastemperaturas Material com o mesmo “PMaterial com o mesmo “Pnumber” do material donumber” do material do casco (ver nota)
casco (ver nota) IV
IV Materiais especificadosMateriais especificadosem cada casoem cada caso Materiais especificadosMateriais especificadosem cada casoem cada caso Materiais especificadosMateriais especificadosem cada casoem cada caso V
V Aço carbono de qualidadeAço carbono de qualidadeestruturalestrutural Aço carbono de qualidadeAço carbono de qualidadeestruturalestrutural Aço carbono de qualidadeAço carbono de qualidadeestruturalestrutural VI
VI Aço carbono de qualidadeAço carbono de qualidadeestruturalestrutural Aço carbono de qualidadeAço carbono de qualidadeestruturalestrutural Material com o mesmo “PMaterial com o mesmo “Pnumber” do material donumber” do material do casco
casco
Nota – Deve ser empregado o mesmo material do casco, quando for exigido por motivo de Nota – Deve ser empregado o mesmo material do casco, quando for exigido por motivo de resistência à corrosão.
resistência à corrosão.
Obs: Os aços para partes pressurizadas devem apresentar o teor de carbono não superior a 0,30%, Obs: Os aços para partes pressurizadas devem apresentar o teor de carbono não superior a 0,30%, sendo que para chapas do casco e tampo exige-se que o teor de carbono não seja superior a 0,26%. sendo que para chapas do casco e tampo exige-se que o teor de carbono não seja superior a 0,26%. Tabela 12.1 – Classes de Materiais
12.2 – COMPORTAMENTO EM ALTAS TEMPERATURAS 12.2 – COMPORTAMENTO EM ALTAS TEMPERATURAS
A partir de determinada temperatura, característica de cada metal ou liga metálica, o material torna- A partir de determinada temperatura, característica de cada metal ou liga metálica, o material torna- se sujeito a um processo de deformação plástica ao longo do tempo, provocado por uma tensão que se sujeito a um processo de deformação plástica ao longo do tempo, provocado por uma tensão que pode mesmo ser inferior ao limite de escoamento do material, a este fenômeno denominamos pode mesmo ser inferior ao limite de escoamento do material, a este fenômeno denominamos fluência (creep).
fluência (creep). A fluência ou
A fluência ou creep é um creep é um fenômeno ativado pela temperatura e possui conseqüências relacionadas afenômeno ativado pela temperatura e possui conseqüências relacionadas a tensão atuante e o tempo de trabalho em temperaturas acima do limite de fluência do material. tensão atuante e o tempo de trabalho em temperaturas acima do limite de fluência do material. Corresponde a um acúmulo de deformações plásticas decorrente da redução pela temperatura da Corresponde a um acúmulo de deformações plásticas decorrente da redução pela temperatura da energia envolvida em contornos de grão e inclusões na matriz em manter o equilíbrio entre o energia envolvida em contornos de grão e inclusões na matriz em manter o equilíbrio entre o encruamento e o amolecimento do material. As deformações, se mantidas as condições de tensões e encruamento e o amolecimento do material. As deformações, se mantidas as condições de tensões e temperatura elevadas, levam a falha após algum tempo de operação.
temperatura elevadas, levam a falha após algum tempo de operação. Em termos práticos normalmente a fluência é importante acima de 0,3.T
Em termos práticos normalmente a fluência é importante acima de 0,3.T ff, onde T, onde Tffé a temperatura deé a temperatura de
fusão, em graus Kelvin; para aços carbono a temperatura de fluência situa-se em torno de 370 fusão, em graus Kelvin; para aços carbono a temperatura de fluência situa-se em torno de 370 ooC.C.
Relacionando-se a progressão da deformação por fluência com o tempo decorrido, obtém-se o que Relacionando-se a progressão da deformação por fluência com o tempo decorrido, obtém-se o que denominamos a curva típica de fluência, representada na figura abaixo.
denominamos a curva típica de fluência, representada na figura abaixo.
Figura 12.1 – Curva típica de comportamento à fluência Figura 12.1 – Curva típica de comportamento à fluência Na 1
Na 1aa fase, onde a taxa de deformação por fluência dfase, onde a taxa de deformação por fluência dεε /dt é decrescente, pred /dt é decrescente, predominam os mecanominam os mecanismosismos de encruamento sobre os de amolecimento; na fase 2
de encruamento sobre os de amolecimento; na fase 2aa ocorre um balanço entre estes doisocorre um balanço entre estes dois
mecanismos, com d
mecanismos, com dεε /dt cte; na 33 /dt cte; na aa fase ocorre deformação localizada e uma fase ocorre deformação localizada e uma aceleração nas taxas deaceleração nas taxas de
deformação. A 1
deformação. A 1aa fase é também chamada de primaria ou transiente, a 2fase é também chamada de primaria ou transiente, a 2aa fase de secundária oufase de secundária ou
estacionária e a 3
estacionária e a 3aa fase de terciária.fase de terciária.
A fim de prevenir-se excessivas deformações e uma ruptura prematura, no código ASME Seção VIII, A fim de prevenir-se excessivas deformações e uma ruptura prematura, no código ASME Seção VIII, Divisão 1 foram estabelecidos limites satisfatórios para as tensões em temperaturas acima da Divisão 1 foram estabelecidos limites satisfatórios para as tensões em temperaturas acima da temperatura de fluência.
temperatura de fluência.
A tensão admissível, como já vimos anteriormente, é o menor valor entre: A tensão admissível, como já vimos anteriormente, é o menor valor entre:
100% da tensão média para d100% da tensão média para dεε /dt de 0,01% em 1.000 h /dt de 0,01% em 1.000 horas.oras.
67% da tensão média para ruptura em 100.000 horas. 67% da tensão média para ruptura em 100.000 horas.
Tempo Tempo
11aaFaseFase 22aaFaseFase 33aaFaseFase RupturaRuptura
A A B B C C D D Deformação Deformação
A comparação entre os critérios para fixação das tensões admissíveis em temperaturas abaixo e A comparação entre os critérios para fixação das tensões admissíveis em temperaturas abaixo e acima da temperatura de fluência podem ser muito bem visualizadas na figura abaixo.
acima da temperatura de fluência podem ser muito bem visualizadas na figura abaixo.
Figura 12.2 – Tensões admissíveis abaixo e acima da temperatura de fluência Figura 12.2 – Tensões admissíveis abaixo e acima da temperatura de fluência Independente
Independentemente dos limites mente dos limites de temperatura estabelecidos no ASME, de temperatura estabelecidos no ASME, indicamos na tabela abaixoindicamos na tabela abaixo os limites de temperatura para partes
os limites de temperatura para partes pressurizadpressurizadas e as e não pressurizadas dos vasos.não pressurizadas dos vasos.
Os limites para partes pressurizadas foram estabelecidos em função da resistência à fluência do Os limites para partes pressurizadas foram estabelecidos em função da resistência à fluência do material; os limites para as
material; os limites para as partes não pressurizadas na temperatura de escamação do material.partes não pressurizadas na temperatura de escamação do material. Temperatura Limite de Utilização (
Temperatura Limite de Utilização (°°°°°°°°C)C) Material
Material
Partes
Partes Pressurizadas Pressurizadas Partes Partes Não Não PressurizadaPressurizadass Aço
Aço carbono carbono de de qualidade qualidade estrutural. estrutural. 150 150 530530 Aço
Aço carbono carbono não não acalmado acalmado 400 400 530530 Aço
Aço carbono carbono acalmado acalmado ao ao Si. Si. 450 450 530530 Aço
Aço liga liga ½ ½ Mo. Mo. 500 500 530530
Aço
Aço liga liga 1 1 ¼ ¼ Cr, Cr, ½ ½ Mo. Mo. 530 530 530530
Aço
Aço liga liga 2 2 ¼ ¼ Cr, Cr, 1 1 Mo. Mo. 530 530 570570
Aço
Aço liga liga 5 5 Cr, Cr, Mo. Mo. 480 480 600600
Aço
Aço inoxidável inoxidável : : 405, 405, 410, 410, 410S. 410S. (3) (3) 480 480 600600 Aço
Aço inoxidáveinoxidável l : : 304, 304, 316. 316. (1) (1) e e (2) (2) 600 600 800800 Aço
Aço inoxidáveinoxidável l : : 304L, 304L, 316L. 316L. 400 400 800800 Aço
Aço inoxidável inoxidável : : 310. 310. (2) (2) 600 600 11001100 Notas:
Notas:
(1) Para temperaturas projeto superiores a 550
(1) Para temperaturas projeto superiores a 550ooC, recomenda-se o uso de aços inoxidáveis tipo H.C, recomenda-se o uso de aços inoxidáveis tipo H.
(2) Chama-se atenção para a possibilidade de formação de “Fase Sigma”, para temperaturas acima (2) Chama-se atenção para a possibilidade de formação de “Fase Sigma”, para temperaturas acima de 600
de 600ooC, resultando em severa fragilização do material. Essa mudança na estrutura metalúrgicaC, resultando em severa fragilização do material. Essa mudança na estrutura metalúrgica ocorra principalmente para os aços tipos 316 e 310.
ocorra principalmente para os aços tipos 316 e 310.
(3) Esses materiais são susceptíveis de sofrer fragilização operando em torno de 475
(3) Esses materiais são susceptíveis de sofrer fragilização operando em torno de 475 ooC por períodosC por períodos longos. longos. Tensão que Tensão que causa 1% de causa 1% de deformação em deformação em 100.000 h 100.000 h Limite Limite Resistência / FS Resistência / FS Limite Limite Resistência Resistência Fluência Fluência Efeito Dominante Efeito Dominante Temperatura Temperatura Tensão Tensão Admissível Admissível
Os ensaios de fluência são considerados de longa duração (acima de 1.000 horas), e para que Os ensaios de fluência são considerados de longa duração (acima de 1.000 horas), e para que representem o comportamento do material exposto a tempos mais elevados de operação na representem o comportamento do material exposto a tempos mais elevados de operação na temperatura, são utilizadas extrapolações com o aumento da temperatura do ensaio tornando-o temperatura, são utilizadas extrapolações com o aumento da temperatura do ensaio tornando-o acelerado. A equação de Larson-Miller permite esta extrapolação com base na dependência do acelerado. A equação de Larson-Miller permite esta extrapolação com base na dependência do estágio secundário de comportamento com a energia de ativação, temperatura e estrutura do estágio secundário de comportamento com a energia de ativação, temperatura e estrutura do material. Como a energia de ativação é dependente da tensão aplicada, os ensaios são realizados material. Como a energia de ativação é dependente da tensão aplicada, os ensaios são realizados no mesmo nível de tensão do componente em operação, com a extrapolação realizada através do no mesmo nível de tensão do componente em operação, com a extrapolação realizada através do aumento da
aumento da temperatura, exclusivamentemperatura, exclusivamente.te. ( ( CC loglogtt))xx1010 33 .. T T P P == ++ −− P - parâmetro de Larson-Miller; P - parâmetro de Larson-Miller; T - temperatura absoluta (ºK ou ºR); T - temperatura absoluta (ºK ou ºR); C - constante do material; C - constante do material; t - tempo de ruptura (horas). t - tempo de ruptura (horas).
Para uma condição de operação (T, t), equivalente a um valor do parâmetro P, pode-se realizar uma Para uma condição de operação (T, t), equivalente a um valor do parâmetro P, pode-se realizar uma extrapolação da temperatura a ser empregada no ensaio para definir um ensaio com duração extrapolação da temperatura a ser empregada no ensaio para definir um ensaio com duração adequada.
adequada. Exemplo:
Exemplo: Determinar a vida remanescente de uma barra que foi projetado para uma tensão deDeterminar a vida remanescente de uma barra que foi projetado para uma tensão de 7.500,0 psi. A operação da barra até o momento foi a seguinte:
7.500,0 psi. A operação da barra até o momento foi a seguinte: 40.000 h @ 1100 ºF 40.000 h @ 1100 ºF 5.000 h @ 1200 ºF 5.000 h @ 1200 ºF 20 h @ 1400 ºF 20 h @ 1400 ºF
Utilizando uma curva de tensão x tempo de ruptura para o material da barra, obtêm-se: Utilizando uma curva de tensão x tempo de ruptura para o material da barra, obtêm-se:
Condição
Condição Temperatura Temperatura [[ooF]F] t: Tempo det: Tempo de
Operação [horas]
Operação [horas] Ruptura [horas]Ruptura [horas]ttrr: Tempo para: Tempo para t / tt / trr
1 1 1100 1100 40.000 40.000 200.000 200.000 0,2000,200 2 2 1200 1200 5.000 5.000 80.000 80.000 0,0630,063 3 3 1400 1400 20 20 100 100 0,2000,200 Total: Total: 0,4630,463 Vida útil remanescente: 1 - 0,463 = 0,537
Vida útil remanescente: 1 - 0,463 = 0,537 Exemplo:
Exemplo: Determinar a temperatura de ensaio para um material de um componente projetado paraDeterminar a temperatura de ensaio para um material de um componente projetado para operar durante 20,0 anos na temperatura de 1100
operar durante 20,0 anos na temperatura de 1100ooF. Dimensionar o ensaio para um tF. Dimensionar o ensaio para um tempo de ensaioempo de ensaio
equivalente a 30 dias. equivalente a 30 dias. 20.0 anos = 175.200 horas 20.0 anos = 175.200 horas 30 dias = 720 horas 30 dias = 720 horas T T = 1100= 1100ooF = 866F = 866ooKK
12.3 – COMPORTAMENTO EM BAIXAS TEMPERATURAS 12.3 – COMPORTAMENTO EM BAIXAS TEMPERATURAS
As perguntas que foram feitas em 85 anos de pesquisas foram as seguintes: As perguntas que foram feitas em 85 anos de pesquisas foram as seguintes:
•• Porque o navio afundou tão rápido (em menos de 3 horas)? Porque o navio afundou tão rápido (em menos de 3 horas)?
•• Qual a natureza do dano no casco devido ao impacto com o iceberg? Qual a natureza do dano no casco devido ao impacto com o iceberg?
•• Qual a seqüência de enchimento dos compartimentos? Qual a seqüência de enchimento dos compartimentos?
•• O navio quebrou ao meio na O navio quebrou ao meio na superfície, ou afundou intacto? superfície, ou afundou intacto?
Figura 12.3 – Exploração do navio “Titanic” (continuação) Figura 12.3 – Exploração do navio “Titanic” (continuação)
Brittle / Ductile
Brittle / Ductile Transition CurvesTransition Curves
Titanic Longitudinal Titanic Longitudinal Titanic Transversal Titanic Transversal Transition Transition Temperatures Temperatures A36 Steel A36 Steel 190 190 163 163 136 136 108 108 81 81 54 54 27 27 140 140 120 120 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 00 I I m m p p a a c c t t E E n n e e r r g g y y ( ( J J o o u u l l e e s s ) ) Temperature ( Temperature (ooC)C) I I m m p p a a c c t t E E n n e e r r g g y y ( ( f f t t - - l l b b s s ) ) -100 -100 0 0 100 100 200200 Titanic Titanic Longitudinal Longitudinal Titanic Titanic Transversal Transversal A36 Steel A36 Steel 120 120 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 00 -50 -50 0 0 50 50 100 100 150150 Temperature (degrees Temperature (degreesooC)C) % % S S h h e e a a r r F F r r a a c c t t u u r r e e
O Departamento de Metalurgia O Departamento de Metalurgia do National Institute of Standards do National Institute of Standards and Technology realizou uma and Technology realizou uma análise metalúrgica e mecânica análise metalúrgica e mecânica dos materiais do casco e rebites dos materiais do casco e rebites do Titanic. O resultado indicou do Titanic. O resultado indicou que o aço utilizado possuía uma que o aço utilizado possuía uma temperatura de transição dúctil- temperatura de transição dúctil- frágil elevada, tornando-o frágil elevada, tornando-o
inadequado para as
inadequado para as
temperaturas em que navegou. temperaturas em que navegou. Em relação aos rebites, o aço Em relação aos rebites, o aço fundido utilizado possuía um fundido utilizado possuía um nível elevado de impurezas e nível elevado de impurezas e inclusões que explicaram o dano inclusões que explicaram o dano acumulado devido à colisão com acumulado devido à colisão com o iceberg.
o iceberg.
O navio afundou a 400 milhas ao sudoeste de Newfoundland com 1500 vítimas. O navio afundou a 400 milhas ao sudoeste de Newfoundland com 1500 vítimas.
Figura 12.3 – Exploração do navio “Titanic” (continuação) Figura 12.3 – Exploração do navio “Titanic” (continuação)
Conclusões: Conclusões:
•• O aço utilizado no casco do Titanic era adequado pelo aspecto de resistência mecânica, mas O aço utilizado no casco do Titanic era adequado pelo aspecto de resistência mecânica, mas possuía uma tenacidade reduzida em temperaturas baixas.
possuía uma tenacidade reduzida em temperaturas baixas.
•• A baixa tenacidade decorreu de uma combinação de fatores: baixos teores de Mn, baixa relação A baixa tenacidade decorreu de uma combinação de fatores: baixos teores de Mn, baixa relação de Mn/C, tamanho de grão elevado e espessas colônias de perlita.
de Mn/C, tamanho de grão elevado e espessas colônias de perlita.
•• Diversidade de propriedades mecânicas e de tenacidade nas 2.000 chapas utilizadas no casco Diversidade de propriedades mecânicas e de tenacidade nas 2.000 chapas utilizadas no casco do Titanic, evidenciando uma qualidade duvidosa de material prima e de fabricação da usina. do Titanic, evidenciando uma qualidade duvidosa de material prima e de fabricação da usina.
•• A grande variabilidade do material dificultou a determinação do efeito do MnS e micro trincas no A grande variabilidade do material dificultou a determinação do efeito do MnS e micro trincas no afundamento do navio.
afundamento do navio.
•• Um fator que explica a Um fator que explica a rapidez da tragédia foi o fato das rapidez da tragédia foi o fato das evidências demonevidências demonstrarem que o navio se strarem que o navio se partiu na superfície, antes de
partiu na superfície, antes de afundar; afundar;
•• Os conhecimentos necessários para o tratamento térmico e melhorias do material, apesar de Os conhecimentos necessários para o tratamento térmico e melhorias do material, apesar de simples, não eram disponíveis em 1911, quando da fabricação do aço;
simples, não eram disponíveis em 1911, quando da fabricação do aço;
•• A microestrutura dos rebites a orientação das inclusões perpendiculares a tensão trativa podem A microestrutura dos rebites a orientação das inclusões perpendiculares a tensão trativa podem ter contribuído decididamente para o agravamento do problema.
ter contribuído decididamente para o agravamento do problema.
Figura 12.3 – Exploração do navio “Titanic” (continuação) (Afundou em 12 de abril de 1912). Figura 12.3 – Exploração do navio “Titanic” (continuação) (Afundou em 12 de abril de 1912).
Figura 12.4 – Tanque de gás natural liquefeito que falhou com vazamento do produto que vaporizou Figura 12.4 – Tanque de gás natural liquefeito que falhou com vazamento do produto que vaporizou e se incendiou, ocasionando uma bola de fogo de grande extensão. Algo próximo a
e se incendiou, ocasionando uma bola de fogo de grande extensão. Algo próximo a 3 km2 foi afetado 3 km2 foi afetado pelo incêndio com total destruição de 79 casas, 2 fábricas, 217 carros destruídos, 131 pessoas pelo incêndio com total destruição de 79 casas, 2 fábricas, 217 carros destruídos, 131 pessoas mortas, 300 feridas (1944 – Cleveland).
Figura 12.5 –– Ponte (Silver Bridge) ligando o estado W. Virginia a Ohio, com vão central com mais Figura 12.5 –– Ponte (Silver Bridge) ligando o estado W. Virginia a Ohio, com vão central com mais de 130 metros. Em lugar de cabos, a ponte era suspensa por correntes ligadas por pinos. Um dos de 130 metros. Em lugar de cabos, a ponte era suspensa por correntes ligadas por pinos. Um dos elos da corrente se rompeu por clivagem devido ao clima frio e sobrecarga, causando a ruptura dúctil elos da corrente se rompeu por clivagem devido ao clima frio e sobrecarga, causando a ruptura dúctil de um dos pinos. Com a
de um dos pinos. Com a falha de uma das correntes, toda a falha de uma das correntes, toda a estrutura colapsou, causando a morte de estrutura colapsou, causando a morte de 46 pessoas. A ruptura foi causada por micro trincas que cresceram por fadiga e corrosão combinada. 46 pessoas. A ruptura foi causada por micro trincas que cresceram por fadiga e corrosão combinada. O desastre da ponte Silver Bridge tornou-se um marco, pois foi a primeira estrutura civil a ter o O desastre da ponte Silver Bridge tornou-se um marco, pois foi a primeira estrutura civil a ter o colapso investigado com aplicação dos conceitos modernos da mecânica da fratura (1967 – Point colapso investigado com aplicação dos conceitos modernos da mecânica da fratura (1967 – Point Pleasant, W. Virginia).
Figura 12.6 – Quando da ocasião da 2a guerra mundial, se iniciou uma nova fase em termos da