PT1141694E - Método para produção de defeitos e de tensões de tracção residuais - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

"MÉTODO PARA PRODUÇÃO DE DEFEITOS E DE TENSÕES DE TRACÇÃO RESIDUAIS" A presente invenção diz respeito a um método para produzir defeitos controlados e tensões residuais em provetes de ensaio.

Os defeitos, tais como as fissuras por fadiga térmica, podem aparecer em diversos componentes, nomeadamente em centrais nucleares durante o seu funcionamento. São usados procedimentos de ensaios não destrutivos (END) para examinar componentes pré-definidos tais como válvulas, tubos, conexões de tubos, etc. durante as inspecções que são realizadas em intervalos de tempo regulares. Nas inspecções levadas a cabo em situações de funcionamento real, sempre surgem incorrecções que tanto são devidas ao método como ao pessoal para as realizar. Para qualificar os procedimentos e os inspectores de END, são usados provetes de ensaio incorporando fissuras artificialmente criadas que sejam semelhantes às reais. Os estudos de fiabilidade dos programas internacionais PISC I, II e III aplicados a ensaios não destrutivos de materiais, os quais têm revelado evidentes deficiências na detecção e definição de defeitos, têm vindo a demonstrar a necessidade de qualificação. ΡΕ1141694 - 2 - A título de exemplo, torna-se necessária a qualificação na inspecção de centrais nucleares. Têm vindo a ser emitidas instruções para a qualificação da inspecção com END em centrais nucleares (nos EUA através do documento ASME Code Section XI, e na Europa através dos documentos NRWG e ENIQ), segundo as quais deverão ser qualificados o equipamento, os provetes de ensaio, os procedimentos e os inspectores.

De acordo com os procedimentos de qualificação europeia, as dimensões (diâmetro, espessura da parede, etc.) dos provetes de ensaio devem corresponder aos objectos reais a ser inspeccionadas. Da mesma forma, deverá também haver correspondência entre as outras propriedades dos provetes de ensaio - tais como material, formato, qualidade da superfície, processo de fabrico, e localização de soldaduras - e as propriedades dos componentes da central real. 0 tipo, formato, tamanho, localização, orientação e abertura dos defeitos surgidos devem corresponder, de uma forma suficientemente exacta, às fendas naturais. As características dos defeitos em provetes de ensaio destinados à qualificação são muito importantes para todo o processo de qualificação. 0 uso de provetes de ensaio com defeitos tão semelhantes quanto possível aos defeitos naturais irá garantir que o procedimento de inspecção em questão consegue detectar e definir esses defeitos com a precisão requerida. Os testes para qualificação do pessoal irão determinar a capacidade do inspector para detectar e definir os defeitos relevantes - 3 - ΡΕ1141694 com uma suficiente precisão.

Actualmente, são já conhecidos métodos para produção de vários tipos de fissuras e defeitos em provetes de ensaio. Nos métodos já conhecidos: (i) é implantada uma fissura artificial em provetes, geralmente por soldadura; ou (ii) é introduzido um defeito de soldadura; ou (iii) é maquinado um entalhe no provete de ensaio. A publicação de Patente japonesa JP57-034439 faz a divulgação de um método que pode ser usado para produzir uma fissura na superfície de um provete em forma de chapa. Outra publicação de Patente JP58-055752, também japonesa, faz a divulgação de um método para produzir uma fissura artificial, em que é maquinado um furo na superfície de uma junta entre duas peças, após o que as peças são conjuntamente unidas. Uma terceira publicação de Patente japonesa, JP 8-219953, faz a divulgação de um método para produção de defeitos através da maquinagem de sulcos numa peça, que são posteriormente enchidos com um material possuindo propriedades acústicas diferentes das do material de origem. Não é conhecido nenhum método para produzir um defeito num provete apresentando um formato qualquer que ele seja, aplicado numa localização qualquer que ela seja, e segundo qualquer orientação e forma desejáveis. A produção de fissuras semelhantes a fissuras naturais constitui um dos problemas centrais da qualificação.

Um método para produzir um estado de tensão de tracção residual também é já conhecido a partir da Patente -4 - ΡΕ1141694 norte-americana US 5 013 370, no qual é induzida uma tensão de tracção residual num provete de ensaio, através do arrefecimento de uma superfície da peça e do aquecimento local na superfície oposta. A invenção divulgada na publicação atrás referida requer que o objecto ou o provete de ensaio a ser considerado tenha pelo menos uma parte livre de tensões, onde possa ser induzido um estado de tensão de tracção residual. O aquecimento é direccionado para esta área e, caso se pretenda que a tensão de tracção residual seja produzida em mais de uma área, o estado inicial de cada uma delas deve estar livre de tensões.

Na publicação mencionada, os lados opostos da peça são respectivamente aquecido e arrefecido. Tal disposição induz um estado descontrolado de tensão de tracção na área a ser tratada. De acordo com a Patente em questão, pode ser criada uma fissura no campo induzido de tensões de tracção, por exemplo através de um meio ambiente agressivo para promoção de fissuras, que poderá consistir numa solução de cloreto de magnésio em ebulição, em água oxigenada a uma elevada temperatura, etc.

Ao contrário do que se passa com a invenção de acordo com a Patente norte-americana US 5 013 370, a presente invenção pode ser usada para criar uma fissura desejada e controlada, ou um estado de tensão residual (quer seja de tracção ou de compressão) controlado, sem outras exigências relativamente ao meio ambiente ou ao estado de tensões. Dado que, na presente invenção, o ΡΕ1141694 - 5 - aquecimento/arrefecimento não é direccionado para diferentes lados da peça, não existem quaisquer requisitos quanto ao tamanho e formato da peça. Além disso, não existem requisitos relativamente ao estado de tensões residuais, para o estado inicial do provete de ensaio.

As vantagens atrás mencionadas, e outros benefícios da invenção, são obtidos por meio de um método cujas características se encontram descritas na reivindicação 1 em anexo. A ideia básica da invenção consiste em repetidamente aquecer e arrefecer de forma alternada a peça a ser tratada, ou seja provocar-lhe fadiga térmica, donde irá resultar uma fissura idêntica a uma fenda natural, ou um desejado estado controlado de tensão residual.

Em geral, pode-se afirmar que as fissuras induzidas por meio dos métodos divulgados nas publicações anteriores não correspondem a fendas naturais, o que constitui uma deficiência evidente quando se estão a fabricar os tais provetes de ensaio destinados à qualificação. Até agora, as fissuras têm sido produzidas em provetes de ensaio destinados à qualificação: (i) ou por soldadura de peças separadas contendo fissuras, para constituir um provete de ensaio; (ii) ou por soldadura de uma fissura a quente no seio de um provete de ensaio; (iii) ou simplesmente fazendo a maquinagem de um entalhe num provete de ensaio. As fissuras implantadas por soldadura ΡΕ1141694 - 6 - podem ser naturais e retiradas de peças reais em funcionamento dispondo de fissuras, ou ser artificialmente produzidas em provetes de ensaio separados. Independente-mente da maneira como foi originada a fissura a ser implantada, a soldadura resultante do implante irá permanecer no material. Uma fissura a quente é realizada ao maquinar um sulco estreito no provete de ensaio, e depois fechá-lo por soldadura utilizando parâmetros que irão fazer com que a soldadura se vá fender segundo a direcção desejada. As juntas soldadas em provetes de ensaio resultantes desses métodos podem ser facilmente detectadas por procedimentos de inspecção com END. Alguns aspectos dos entalhes maquinados, tais como a largura e progressão, não correspondem aos que ocorrem nas fendas naturais. 0 método agora desenvolvido pode ser usado para produzir, de forma flexível, fissuras semelhantes a fissuras naturais, em qualquer localização no provete de ensaio, independentemente da forma ou das dimensões. As fissuras são directamente nucleadas na superfície do provete de ensaio. Não é necessário qualquer iniciador de fissura (entalhe maquinado, etc.). As fissuras desenvolvem-se na superfície do provete de ensaio sem que o material sofra alterações micro-estruturais ou outras, detectáveis através de procedimentos de END. Isto constitui uma vantagem significativa, pois quando são utilizadas fissuras transplantadas ou soldadas, o inspector pode reparar nas costuras soldadas no provete de ensaio e ficar alertado no sentido de fazer uma pesquisa de fissuras mais aprofundada - 7 - ΡΕ1141694 nessa mesma área. As fissuras criadas pelo método que é agora desenvolvido também têm uma boa correspondência com fissuras naturais, em aspectos tais como a propagação e ramificação da fissura, e o raio da ponta da fissura, qualquer um deles afectando, por exemplo, os sinais recebidos em inspecção ultra-sónica e respectiva interpretação. 0 método agora desenvolvido está baseado no fenómeno da fadiga térmica e constitui uma nova aplicação para o mesmo. Em si próprio, o fenómeno da fadiga térmica é já conhecido desde há muito tempo, em particular para materiais utilizados a altas temperaturas. A rápida realização de ciclos de aquecimento e arrefecimento em fadiga térmica provoca a existência de uma acentuada flutuação dos gradientes de temperatura no provete de ensaio, donde resultam tracções e tensões ciclicas que dependem do coeficiente de dilatação térmica do material, e conduzindo finalmente ao aparecimento de danificação por fadiga.

As fissuras que são produzidas usando o método agora desenvolvido são adequadas para serem utilizadas em provetes de ensaio destinados a qualificar procedimentos de END. As fissuras podem ser produzidas em conformidade com os seguintes requisitos: - a morfologia da fissura irá corresponder de forma suficiente a uma fissura natural de modo a que a sua resposta, quando inspeccionada por procedimentos de END, ΡΕ1141694 - 8 - seja semelhante à de uma fissura genuína; - o método pode ser usado para produzir fissuras individuais e redes de fissuras; - as orientações das fissuras individuais poderão ser variáveis; - as fissuras podem ser feitas com diferentes tamanhos e formas, não sendo afectadas pela espessura do material do provete; - se não se pretender destruir o provete de ensaio após a realização do teste de qualificação, o tamanho das fissuras a serem produzidas pode ser avaliado, quer durante os ciclos de fadiga quer com base nos parâmetros da fadiga; - os padrões de aquecimento e arrefecimento podem ser alterados para fazer com que as fissuras se desenvolvam segundo desejadas direcções.

No que se segue, a realização da invenção é descrita fazendo referência aos desenhos anexos, que mostram a disposição do aquecimento e arrefecimento. Na Figura, o arrefecimento forçado (refrigeração por líquido ou por gás) está identificado com o número de referência 1, o aquecimento com o número 2, e o padrão de aquecimento (isotérmicas) com o número 3. A disposição de acordo com a Figura funciona de maneira que o aquecedor 2 seja usado para aquecer a superfície até à temperatura desejada, após o que a superfície é arrefecida 1 até uma temperatura mais baixa. ΡΕ1141694 - 9 -

Durante o aquecimento, surge um padrão de aquecimento 3 que é dependente da potência e do tempo de aquecimento, em que o modelo do padrão influencia a orientação dos defeitos criados. A realização da invenção é descrita com o auxilio dos exemplos que se seguem.

Exemplo 1.

Pretendeu-se criar uma fissura única, ou diversas fissuras paralelas individuais, num tubo que corresponda aos que são usados numa central nuclear. 0 padrão de aquecimento foi concebido com a sua dimensão mais longa periférica ao tubo. Isso fez com que as fissuras se desenvolvessem ao longo da direcção axial do tubo. Ambos os ciclos de aquecimento e arrefecimento duraram 30s. Durante o teste, atingiu-se uma temperatura máxima de aproximadamente 700°C e uma temperatura minima de aproximadamente 10°C. Foi usado arrefecimento forçado para impedir que o padrão de aquecimento se espalhasse por condução térmica. No arrefecimento forçado, foi continuamente enviada água de refrigeração para ambos os lados da área aquecida, mesmo durante o ciclo de aquecimento. O número total de ciclos foi de 6500, em que o aquecimento e arrefecimento são incluídos num único ciclo. Ao fim deste número de ciclos, desenvolveram-se três fissuras orientadas axialmente, a partir de micro-fissuras -10- ΡΕ1141694 nucleadas no provete de ensaio. O método de acordo com a invenção foi usado para formar uma única fissura, ou múltiplas fissuras, no material de origem.

Exemplo 2. O método foi utilizado para fabricar uma fissura, ou múltiplas fissuras, numa costura soldada de um tubo. As fissuras foram produzidas na superfície interna do tubo. O padrão de aquecimento foi concebido de tal maneira que ele se estendeu ao longo do cordão de raiz da soldadura, com o seu ponto central próximo do cordão de raiz. Durante a calibração, atingiu-se uma temperatura de 700°C tendo-se utilizado um tempo de 6s. O tempo de arrefecimento foi de 10s. Foi realizado um total de 17803 ciclos durante o teste. Foi realizado um teste de penetração para demonstrar que as fissuras se haviam formado de ambos os lados da soldadura. Para além das fissuras atrás mencionadas, desenvolveu-se uma única fissura transversalmente à soldadura, não se estendendo por cima do cordão de raiz. O método pode ser usado para produzir fissuras com propriedades que correspondem às das fendas naturais, e que podem portanto ser usadas em provetes de ensaio destinados à qualificação. O método pode ser usado para desenvolver tanto uma rede de fissuras específicas de -11- ΡΕ1141694 fadiga térmica, como fissuras individuais. As inspecções ultra-sónicas das fissuras produzidas mostraram que o teste de fissuras ("cracks'challenge") aos procedimentos de inspecção correspondia à realidade. 0 método tem sido utilizado sob a forma descrita nos exemplos anteriores. Além disso, o método também pode ser aplicado para produzir tensões residuais num provete de ensaio. As tensões residuais são igualmente produzidas com a realização de ciclos térmicos sobre uma área desejada num provete de ensaio, até que o estado de tensões residuais permanente surja no provete de ensaio. As alterações do estado de tensões residuais durante a realização dos ciclos dependem dos parâmetros utilizados para o aquecimento e arrefecimento.

Deve-se referir que a invenção não se encontra de nenhuma forma restringida à anterior descrição ou aos exemplos, antes podendo ser alterada dentro do âmbito das reivindicações seguintes.

Lisboa, 4 de Março de 2011

Claims (6)

1. ΡΕ1141694 - 1 - REIVINDICAÇÕES 1. Um método para produção de defeitos artificiais e/ou tensões residuais em provetes de ensaio, em que o provete de ensaio é repetidamente aquecido e arrefecido de forma alternada - sempre do mesmo lado do provete, não sendo o aquecimento/arrefecimento dirigido para diferentes lados do provete de ensaio - usando um número suficiente de ciclos repetidos de aquecimento e arrefecimento para criar os defeitos e/ou as tensões residuais.
2. 2. Um método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os defeitos e/ou as tensões residuais serem criados com a forma desejada, ao estabelecer o modelo dos padrões de aquecimento e/ou arrefecimento.
3. 3. Um método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o modelo do padrão de aquecimento ser controlado pelo arrefecimento do provete de ensaio pelo lado de fora da área do padrão desejado.
4. 4. Um método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser utilizado um número suficiente de ciclos alternados de aquecimento e de arrefecimento, sequencialmente repetidos, para obter a danificação por fadiga térmica. ΡΕ1141694 - 2 -
5. 5. Um método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o defeito se desenvolver sem haver uma fenda inicial ou outro tipo de iniciador.
6. 6. Um método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o tamanho dos defeitos e tensões residuais produzidos ser controlado por intermédio da potência de aquecimento e arrefecimento, pela duração do aquecimento e arrefecimento, bem como pelo número de ciclos térmicos. Lisboa, 4 de Março de 2011

   ΡΕ1141694 - 1 - REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO A lista de referências citadas pelo requerente é apresentada somente para conveniência do leitor. Ela não faz parte do documento de Patente europeia. Embora tendo havido um grande cuidado na compilação das referências, os erros e omissões não estarão completamente excluídos, e o European Patent Office - EPO descarta qualquer responsabilidade a este respeito. Documentos de Patente citados na descrição . JP 57034439 A . JP 8219953 A . JP 58055752 A . US 5013370 A