Fadiga por corrosão de juntas soldadas em estruturas marinhas offshore

O efeito prejudicial combinado de fadiga e corrosão pode ter consequências indesejadas e encurtar significativamente a vida útil de uma estrutura offshore.

A fadiga por corrosão é uma grande preocupação quando se trata da integridade e segurança de qualquer estrutura offshore. Essas estruturas, como os navios, estão sujeitas a tensões cíclicas produzidas por ondas e movimento das marés. Embora o efeito da fadiga, causado pelo carregamento cíclico, seja bastante bem compreendido, o efeito prejudicial combinado da fadiga e da corrosão pode ter consequências indesejadas e encurtar significativamente a vida útil de uma estrutura. (Leia mais sobre ativos offshore em Especialistas do setor discutem gerenciamento de corrosão de dutos submarinos.)

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O que é fadiga por corrosão?

Quando se trata de carga cíclica e fadiga, a maneira mais fácil de visualizar a relação entre tensão e número de ciclos é exibi-la em um diagrama SN. Se alguém olhasse para tal diagrama para uma amostra específica onde o teste foi realizado em um ambiente padrão, seria significativamente diferente dos testes realizados na mesma amostra em qualquer tipo de ambiente corrosivo. Esses diagramas de fadiga por corrosão seriam deslocados para a esquerda ou o limite de fadiga usual seria removido, o que significa que as propriedades dinâmicas e a resistência à fadiga do material em questão são enfraquecidas.

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Fonte: en.wikipedia.org

O efeito sinérgico da fadiga e da corrosão agindo simultaneamente torna difícil determinar a interação exata entre os dois, mas é seguro assumir que a fadiga por corrosão é mais do que apenas uma superposição dos dois efeitos negativos. Embora possamos melhorar a resistência à fadiga de um material por meio de tratamento térmico e liga, se o material estiver em um ambiente corrosivo, o ganho obtido pode ser facilmente neutralizado completamente, pois o mecanismo corrosivo em ação geralmente dita o limite de resistência nesse caso. De fato, a diferença na resistência à fadiga é mais perceptível em valores de tensão mais baixos.

Efeitos observados em comparação com a fadiga normal

A maior diferença entre a fadiga por corrosão e a fadiga comum está na nucleação da trinca e no tempo de propagação da trinca. Durante o teste de fadiga normal de amostras lisas, o período de nucleação da trinca leva até 90% da vida útil da amostra, seguido por propagação de trinca razoavelmente rápida. Por outro lado, no caso de fadiga por corrosão, a relação muda significativamente e apenas cerca de 10% da vida útil da amostra é gasta na fase de iniciação da trinca. (Saiba como realizar testes de fadiga no artigo 3 Tipos Essenciais de Ensaios Destrutivos de Materiais).

Esta é a principal razão pela qual o limite de resistência à fadiga e a resistência à fadiga são menores quando uma amostra é testada em um ambiente corrosivo. Como uma porção tão curta da vida útil de uma amostra é gasta na nucleação de trincas, é lógico que é mais útil focar na avaliação do comportamento de propagação de trincas, o que significa que a mecânica da fratura é uma ferramenta primária usada para estabelecer a durabilidade de tal. amostra.

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Nesse sentido, para examinar o comportamento do crescimento da trinca, são utilizados corpos de prova pré-fissurados e é medida a taxa de propagação da trinca. As trincas de fadiga se propagam de maneira estável, desde que os valores de tensão estejam abaixo de um valor crítico: a tenacidade à fratura. Esse crescimento de trinca subcrítica pode ser previsto com bastante precisão, dando uma boa estimativa de quanto tempo o elemento específico pode operar antes que a propagação de trinca instável, que geralmente dura períodos extremamente curtos, leve a uma ruptura limpa quase instantânea.

No caso de fadiga por corrosão estar em jogo, além do tempo severamente reduzido necessário para a formação da trinca inicial, o crescimento da trinca também é mais rápido. O limite de tensão é menor e as taxas de crescimento de trincas são maiores para qualquer valor de tensão subcrítica, o que significa que apenas uma pequena trinca é necessária para que o elemento falhe.

Nesse caso, dois elementos desempenham um papel no crescimento da trinca: os níveis de carga e o tipo de corrosão. Tipos comuns de corrosão, como corrosão por pites, corrosão em frestas, corrosão galvânica e corrosão microbiana, afetam a nucleação e o crescimento da trinca de maneira diferente por si mesmos. Em combinação com os vários tipos de cargas dinâmicas ou cíclicas a que o corpo de prova ou a construção podem ser submetidos, a fadiga por corrosão tem uma ampla gama de variações possíveis, por isso é de extrema importância estar bem familiarizado com os níveis de carga e o tipo de corrosão. presente. para determinar a vida útil segura de um item afetado por esse mecanismo.

Como o material de solda influencia a fadiga por corrosão

Uma das principais razões pelas quais as soldas são particularmente vulneráveis ​​à fadiga por corrosão é que as soldas são frequentemente mais suscetíveis do que o material de base a partir do qual o resto da estrutura é feito. Conforme discutido anteriormente em Uma Visão Geral da Corrosão de Juntas Soldadas: Causas e Práticas de Prevenção, há uma série de mecanismos de corrosão que afetam as juntas soldadas, especialmente na presença de um eletrólito, como a água.

Embora os dutos terrestres soldados sejam um candidato em potencial, esse mecanismo específico é mais prejudicial para estruturas offshore, navios e dutos submarinos. Todos esses sistemas estão na presença de água salgada altamente eletrolítica, possuem um grande número de soldas e estão sujeitos a cargas cíclicas causadas por ondas, marés e até mesmo pelo funcionamento padrão da própria construção.

Vários estudos e testes têm sido realizados para estabelecer os efeitos da fadiga por corrosão, principalmente no caso de aços inoxidáveis ​​e aços carbono-manganês (C-Mn), comumente utilizados em risers offshore. Esses testes de fadiga foram realizados em vários ambientes, incluindo água salgada, dióxido de carbono (CO2), sulfeto de hidrogênio (H2S) e íons cloreto.

Algumas das conclusões são:

  • Dependendo do tipo de ambiente corrosivo, uma amostra falharia duas a três vezes mais rápido que a amostra de controle. A vida de fadiga de uma junta soldada foi reduzida por um fator de três em baixas temperaturas (cerca de 5 °C / 41 °F), mas foi mais do que isso em temperaturas mais altas.
  • A água do mar tem um efeito particularmente prejudicial em materiais com microestrutura fina, como aços de alta resistência e baixa liga (HSLA) e em seções recristalizadas de zonas afetadas pelo calor (HAZs) de solda, devido ao efeito combinado de fadiga e fragilização por hidrogênio no crescimento da trinca. . O efeito negativo esteve presente mesmo em materiais com proteção catódica (CP).
  • O sulfeto de hidrogênio tem um efeito extremamente adverso no desempenho de fadiga, seja em ambientes secos, oleosos ou úmidos. Sulfeto de hidrogênio seco ou sulfeto de hidrogênio em óleo pode aumentar o crescimento de trincas em até 35 vezes em altas concentrações, e o efeito é mais fraco em concentrações mais baixas. Nos casos em que a água contém sulfeto de hidrogênio, o efeito é ainda pior: a taxa de crescimento de trincas por fadiga pode aumentar cem vezes ou mais.

Como prevenir ou mitigar a fadiga por corrosão

Embora não haja uma maneira real de prevenir completamente a corrosão ou a fadiga, medidas podem ser tomadas para reduzir os efeitos desses mecanismos prejudiciais e prolongar significativamente a vida útil da estrutura afetada.

O passo mais fácil é projetar uma estrutura de forma a minimizar ou, de preferência, eliminar completamente as tensões cíclicas. A forma correta de seções e juntas críticas pode reduzir a tensão residual, ajudar a reduzir a concentração de tensão e ajudar a distribuir a carga por todo o componente. Vibração, vibração e mudanças rápidas na carga, temperatura e pressão devem ser evitadas tanto quanto possível.

A proteção catódica pode realmente ser prejudicial se o sulfeto de hidrogênio estiver presente, portanto, deve-se tomar cuidado ao escolher o método de proteção contra corrosão apropriado. O material deve ser escolhido adequadamente para o ambiente corrosivo específico e deve ser tratado para garantir a melhor resistência à corrosão para a temperatura operacional esperada, agente corrosivo e outros fatores. É extremamente importante limitar pelo menos um dos dois fatores (fadiga e corrosão), pois sua ação combinada tem um efeito exponencialmente pior na confiabilidade e na vida útil do sistema ou estrutura vulnerável.

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