Tensões residuais são tensões existentes em um corpo sem que sobre ele estejam agindo quaisquer forças externas, ou seja, tensões que continuam existindo numa peça quando todo o carregamento externo é removido (Mondenesi, 2010). Este estado de tensões é autoequilibrante e, portanto, todos os sistemas de tensões residuais têm suas resultantes de força e momento iguais à zero. Geralmente essas tensões surgem durante os processos de manufatura ou fabricação. Dentre as principais causas de seu aparecimento, a ocorrência de uma solicitação acima do limite de escoamento do material, causando deformação plástica em certa região da peça, é a mais comum (Cardoso, 2007).
A tensão residual é tridimensional no interior dos corpos. Por exemplo, em um sistema de coordenadas, comum para dutos, ela pode existir nas direções longitudinal, tangencial (também chamada de circunferencial) e radial. Em uma superfície plana, ela atua nas direções longitudinal, transversal e normal ao plano, conforme Figura 2.1 (Perini, 2008). As tensões normal e radial são nulas, pois as superfícies são livres.
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Figura 2.1 - Nomenclatura das direções das tensões em eixos e chapas.
Tensões residuais podem afetar de modo determinante a vida em serviço de componentes. Assim, a avaliação destas representa uma etapa fundamental em inspeções antes e durante a operação de qualquer componente para a avaliação de sua integridade.
Estas tensões podem ser trativas ou compressivas. Tensões residuais trativas podem reduzir o desempenho ou causar falhas de produtos manufaturados. Elas podem aumentar a taxa de danos por fadiga, deformação ou degradação ambiental. Tensões residuais compressivas são, na maioria das vezes, benéficas, ao se oporem à direção de carregamento trativo, reduzem o nível de tensão de tração aplicada e inibem a iniciação e o crescimento de trincas (Soares, 1998).
O desempenho de um material sob carregamento mecânico ou térmico, ou outros tipos de carregamentos, depende do estado de tensões residuais introduzido durante o processo de manufatura. Em certos casos, é melhor ter uma amostra sem qualquer tensão residual. Em outros casos, uma tensão residual compressiva é introduzida na superfície da amostra para obter uma melhora no comportamento mecânico - quanto à fadiga, por exemplo.
É fundamental ser capaz de medir a tensão residual, pois o nível de tensão residual se compõe com o carregamento aplicado na comparação com a resistência do material (Macherauch e Kloos, 1987).
A classificação dos diferentes tipos de tensões residuais existentes está definida na literatura e são comumente classificadas em três tipos principais (Lu, 1996; Pedrosa, 2007):
Tensões residuais macroscópicas ou macrotensões residuais (Tipo 1): Estendem-se ao longo do componente por vários grãos. São provenientes de condições ou fontes mecânicas, térmicas ou
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químicas que afetam um volume considerável do material, estendendo-se por área comparável às dimensões do equipamento. Estas tensões permanecem equilibradas em todo o corpo e têm sua origem em deformações plásticas macroscópicas.
Tensões residuais microscópicas ou microestruturais (Tipo 2): Estão presentes em um grão ou numa parte deste, estando equilibradas em alguns grãos vizinhos e tendo sua origem em deformações plásticas microscópicas.
Tensões residuais submicroscópicas ou microlocalizadas (Tipo 3): Estendem-se por pequenas distâncias interatômicas, dentro de uma pequena porção de um grão, estando também equilibradas em uma pequena parte do grão e tendo sua origem em defeitos cristalinos, particularmente discordâncias.
Dados de tensões residuais podem ser obtidos através de medições, modelados numericamente ou até, para alguns casos específicos, obtidos na literatura a partir de normas que permitem sua estimativa.
As tensões residuais não podem de modo algum ser desprezadas, pois elas se somam às tensões aplicadas externamente. Dependendo do sinal e da distribuição das tensões residuais e das tensões aplicadas, pode ocorrer um aumento ou diminuição da vida do componente.
Uma avaliação de integridade estrutural em dutos precisa levar em conta as tensões a que estes estão sendo submetidos. O problema é que as tensões medidas são resultados de estados de tensões complexos causados: pelos esforços de trabalho; pelas condições de montagem e interação com o solo; e pelas tensões residuais existentes no tubo, causadas principalmente pelo processo de fabricação. Uma análise pontual não é suficiente para determinar se o tubo está trabalhando de forma crítica ou segura, já que as tensões residuais, mesmo sendo elevadas, são autoequilibrantes. Existe então a necessidade de: medir mais de um ponto na seção; conhecer as situações que inspiram maiores cuidados no que diz respeito à seção do tubo; e, quando possível e necessário, separar as tensões provocadas pelas três parcelas acima citadas.
Dentre as técnicas experimentais para medição de tensões residuais e aplicadas, a extensometria é a mais largamente utilizada porque é uma técnica pesquisada e utilizada há muitos anos, os resultados são facilmente interpretados e o procedimento de ensaio de tensões residuais é regido por norma (ASTM E 837). A medição de tensão mecânica neste caso é indireta, visto que é calculada a partir da medição de deformação dos extensômetros. A medição de tensões residuais é feita com rosetas
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extensométricas que são nada mais do que o conjunto de três extensômetros distribuídos ao redor de uma pequena região onde um furo é usinado (“hole drilling method”). A presença do furo provoca um alívio de tensões naquele ponto. Os extensômetros estão posicionados a 0o, 45o e 90o, e medem as componentes da deformação gerada pelo alívio de tensões ao redor do furo em cada uma destas direções. Porém o uso desta técnica apresenta algumas dificuldades e limitações, como o excessivo tempo necessário para a preparação da superfície da peça e colagem dos extensômetros e a necessidade de habilidade técnica do operador para instalação do extensômetros, entre outras.
O ensaio de ultrassom é um método bastante promissor na medição de tensões mecânicas. A medição é possível graças ao efeito conhecido como acustoelástico (acusto relacionado a ondas e
elasticidade relacionado a propriedades elásticas e tensões). Este princípio relaciona a deformação de
um corpo submetido a um estado estático de tensão com a velocidade de propagação de ondas elásticas no corpo. A teoria acustoelástica foi primeiramente formulada por Cauchy, em 1829, e, posteriormente, aprimorada por Hughes e Kelly, Toupin e Bernstein, e Thurston e Brugger (In Pao e Gamer, 1985).
Como já dito, existem outros métodos não destrutivos para medição de tensões, tais como difração de raios X e difração de nêutrons. Como ressaltado, nas duas técnicas são necessários equipamentos cujas características atuais não os tornam ainda adequados para utilização em campo. Isso é verdade em especial quanto à difração de nêutrons, que requer um reator nuclear para que a medição possa ser feita (Santos, 2007; Buenos, 2010). O APÊNDICE A apresenta um detalhamento dos vários métodos existentes para a medição de tensões.
Como citado na introdução deste trabalho, medir as tensões em um duto requer uma técnica não destrutiva, para não parar todo um trecho de uma dutovia. A técnica escolhida para este trabalho foi o ultrassom. Seus princípios e modos de uso serão detalhados nos itens a seguir.