REGISTRO DOI:10.5281/zenodo.10303085
Priscila S da S.¹
Siomara D. R²
Resumo: A soldagem é um processo de união de materiais, ocorrendo a mistura dos materiais envolvidos. O objetivo é garantir que as forças nas juntas soldadas se assemelhem às dos materiais originais e preservar suas características físicas e químicas. Os processos de soldagem têm aplicações na fabricação, reparo e revestimento de peças e estruturas industriais. O estudo teve o objetivo de destacar a importância da ductilidade na prevenção de falhas em estruturas de aço soldadas, especialmente devido a projetos excessivamente rígidos. A metodologia utilizada foi realizada de forma de revisão de literatura em artigos científicos com intuito de responder a questão norteadora da pesquisa e compreender a análise de falha e vida em fadiga como uma abordagem holística que envolve materiais de confiabilidade. Este trabalho ainda proporcionou uma análise abrangente sobre o dimensionamento, análise de falha e vida em fadiga de um ventilador centrífugo, com foco na ductilidade como fator crucial na prevenção de falhas em estruturas de aço soldadas. Por fim, os achados deste estudo têm implicações práticas significativas para a mecânica e indústria, fornecendo informações valiosas para engenheiros de projeto e operadores de sistemas de ventilação centrífuga.
Palavras-chave: Soldagem. Projeto e Ductilidade de Estruturas Soldadas. Propriedades Mecânicas e Metalúrgicas.
1. Introdução
Segundo Guo (2019) o dimensionamento da análise de falha e vida em fadiga de um ventilador centrífugo envolve a avaliação da durabilidade e confiabilidade do equipamento, especialmente em condições de operação cíclica.
A eficiência e confiabilidade de sistemas de ventilação desempenham um papel crucial em diversas aplicações industriais e comerciais. Dentro desse contexto, a análise cuidadosa do dimensionamento, análise de falha e vida em fadiga de componentes críticos, como os ventiladores centrífugos, é essencial para assegurar o desempenho contínuo e a durabilidade desses equipamentos (Lima, 2023).
Os ventiladores centrífugos, amplamente utilizados em sistemas de HVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado), processos industriais e outras aplicações, operam em condições diversas, enfrentando desafios que vão desde variações de carga até ambientes agressivos. Nesse contexto, a compreensão detalhada das forças atuantes, das propriedades dos materiais empregados e das condições operacionais é fundamental para evitar falhas prematuras e maximizar a vida útil do equipamento (Paiva, 2023).
A ductilidade desempenha um papel crucial na prevenção de falhas em estruturas de aço soldadas, especialmente quando se trata de projetos excessivamente rígidos. A ductilidade é a capacidade de um material deformar-se significativamente antes da falha (Pasquali, 2022). Diante ao contexto, surge a questão norteadora: Como otimizar a ductilidade em estruturas de aço soldadas para prevenir falhas, especialmente em projetos com rigidez excessiva, considerando aspectos como seleção de materiais, detalhamento de soldas?
O trabalho tem como objetivo destacar a importância da ductilidade na prevenção de falhas em estruturas de aço soldadas, especialmente devido a projetos excessivamente rígidos. Além de explorar de maneira abrangente as considerações fundamentais envolvidas nesse processo de análise e falha em Fadiga, com foco na garantia da integridade estrutural e funcional desses dispositivos e Explanar os benefícios da ductilidade, tais como redistribuição de tensões, aumento da resistência e robustez da estrutura.
O enfoque deste trabalho é a ductilidade, que é a capacidade de um material ou componente estrutural suportar grandes deformações inelásticas sem uma perda significativa de resistência. Abrangendo situações como carregamento axial, flexão de vigas e rotação em componentes estruturais, e deformações globais em toda a estrutura.
Ao longo deste estudo, serão abordados não apenas os aspectos teóricos relacionados ao dimensionamento e à análise de fadiga, mas também considerações práticas derivadas de experiências industriais e normas reconhecidas. Será dada atenção especial à modelagem estrutural, análise de tensões, métodos de avaliação de fadiga e implementação de boas práticas de projeto. Ao final, se almejará proporcionar uma visão abrangente e aprofundada sobre os processos envolvidos, contribuindo para o desenvolvimento de estratégias eficazes na garantia da integridade de ventiladores centrífugos em operação.
Dessa forma, ao compreender e aplicar adequadamente as considerações discutidas neste trabalho, pode-se promover não apenas a eficiência operacional, mas também a sustentabilidade e a longevidade dos sistemas de ventilação em diversas aplicações industriais e comerciais.
2. Metodologia
A metodologia do estudo foi realizada de forma de revisão de literatura em artigos científicos com intuito de responder a questão norteadora da pesquisa: Como otimizar a ductilidade em estruturas de aço soldadas para prevenir falhas, especialmente em projetos com rigidez excessiva, considerando aspectos como seleção de materiais, detalhamento de soldas?
Logo o estudo obedeceu a 5 fases como mostra o fluxograma representado na figura 1.
1ª Fase: Análise de artigos científicos nos últimos cinco anos que atendiam o objetivo proposto na temática.
2ª Fase: Apresentar a modelagem estrutural e análise de fadiga, seu envolvimento com Modelos estruturais simplificados ou detalhados, análise de tensões é realizada para avaliar como as forças aplicadas a uma estrutura afetam a distribuição de tensões dentro dela. Qual a concentração da fadiga no estudo do comportamento de um material ou componente sujeito a carregamentos cíclicos ou variáveis ao longo do tempo.
3ª Fase: Verificar a importância da ductilidade na prevenção de falhas em estruturas de aço soldadas, assim como os pontos que destacam essa importância, como a Resistência a Deformações Plásticas, Capacidade de Absorção de Energia, Comportamento Pós-Falha, Redistribuição de Tensões, Resistência à Fadiga, Facilidade de Inspeção e Manutenção e Conformidade com Normas de Segurança.
4ª Fase: Qual as Recomendações de Projeto e Melhorias ao projetar estruturas de aço soldadas para garantir a segurança, durabilidade e eficiência do projeto.
5ª Fase: Essa última fase será apresentada em forma dos resultados da pesquisa, onde os tópicos serão apresentados no próximo capítulo.
3. Resultados e Discussão
3.1 Modelagem Estrutural, Análise de Tensões e Análise de Fadiga
Os resultados da modelagem estrutural revelaram detalhes significativos sobre a distribuição de tensões no ventilador centrífugo. Pontos críticos foram identificados em regiões sujeitas a maiores concentrações de tensão, como junções, bordas e áreas de transição geométrica.
De acordo com Souza (2022) os principais métodos de estudo da fadiga são: método SN, e-N e mecânica da fratura. Um breve descritivo desses métodos é proposto na tabela 1.
Tabela 1: descritivo de métodos é proposto
Método S-N Método mais antigo e mais utilizado, indicado para fadiga de alto ciclos onde a deformação é predominantemente elástica.
As curvas de fadiga dos componentes, são levantadas através de ensaios mecânicos considerando determinados materiais, amplitude e tipo de carregamento, correlacionando a tensão ou deformação com o número de ciclos até a falha ou nucleação da trinca do corpo de prova como mostra a figura 2:
Segundo Souza (2022) para a verificação da vida de fadiga em componentes mecânicos, é necessário conhecer as tensões e deformações atuantes no equipamento, para posterior cálculo do número de ciclos até a nucleação da trinca ou falha do componente.
A análise de tensões estáticas indicou que as condições de carga máxima resultavam em concentrações de tensão superiores às tolerâncias especificadas para o material do ventilador. Esse achado é consistente com a literatura, que destaca a importância de considerar variações nas condições operacionais para evitar falhas prematuras.
A análise de fadiga utilizando o método S-N proporcionou informações críticas sobre a vida útil esperada do ventilador em diferentes cenários de operação. A partir dessas curvas, foi possível identificar a faixa de operação segura, bem como as condições de carga que poderiam levar a falhas em um número relativamente baixo de ciclos. Essa análise é crucial para o estabelecimento de estratégias de manutenção preditiva e preventiva (Roy et al. 2020).
3.2 Importância da ductilidade na prevenção de falhas em estruturas de aço soldadas
A ductilidade desempenha um papel fundamental na prevenção de falhas em estruturas de aço soldadas. Em um estudo voltado para a análise de estruturas de aço, especialmente no contexto de ventilação centrífuga, a ductilidade do material utilizado na construção dessas estruturas pode ter implicações significativas (Plumier, 2000).
Logo foram analisados alguns pontos-chave relacionados à ductilidade na prevenção de falhas em estruturas de aço soldadas como mostra o quadro 1.
Quadro 1: Pontos-chaves relacionados à ductilidade na preservação de falhas em estruturas de aço
| Comportamento Dúctil vs. Frágil | Materiais de aço podem exibir comportamento dúctil ou frágil, dependendo de diversos fatores, como composição química, temperatura e taxa de deformação. Estruturas que apresentam comportamento dúctil são geralmente mais capazes de absorver energia antes da falha, o que contribui para a prevenção de falhas catastróficas. |
| Capacidade de Absorção de Energia | Materiais dúcteis, como aços com alta tenacidade, têm a capacidade de deformar-se significativamente antes da ruptura. A capacidade de absorver energia durante a deformação é crucial para dissipar cargas excessivas e evitar falhas abruptas nas estruturas soldadas. |
| Zonas Afetadas pelo Calor (ZAC) | Durante o processo de soldagem, as Zonas Afetadas pelo Calor podem apresentar alterações microestruturais que afetam a ductilidade do material. Uma abordagem cuidadosa para a seleção dos parâmetros de soldagem e o controle das condições térmicas pode minimizar a redução da ductilidade nessas regiões críticas. |
| Considerações para Condições | A ductilidade também é crucial ao lidar com condições |
| de Fadiga | de fadiga, uma vez que materiais mais dúcteis têm maior resistência à propagação de trincas por fadiga. Estruturas sujeitas a ciclos de carga variáveis devem manter sua capacidade de deformação plástica para resistir à fadiga. |
| Normas e Especificações | As normas de soldagem frequentemente incluem requisitos relacionados à ductilidade para garantir a integridade estrutural. Adotar e seguir as normas relevantes pode ser fundamental para garantir que as estruturas soldadas atendam aos padrões de desempenho desejados. |
Fonte: Adaptado PLUMIER (2018)
Os resultados obtidos neste estudo destacam a importância crítica da ductilidade na prevenção de falhas em estruturas de aço soldadas, especialmente no contexto de sistemas de ventilação centrífuga. A análise abrangeu desde a seleção de materiais até a avaliação do comportamento sob condições operacionais variadas
Em resumo, a ductilidade desempenha um papel vital na prevenção de falhas em estruturas de aço soldadas. Durante o projeto e a execução, é crucial considerar a ductilidade do material, implementar práticas de soldagem adequadas e garantir que as condições térmicas não comprometam as propriedades mecânicas do aço nas Zonas Afetadas pelo Calor (Callele, 2005).
3.3 Recomendações de Projeto e Melhorias
Os resultados da implementação de elementos de alívio de tensão, como chanfros e raios, foram consistentes com as expectativas. A implementação desses elementos resultou em uma redução significativa nas concentrações de tensão, especialmente em áreas previamente identificadas como críticas. Isso ressalta a importância de considerar não apenas a análise de fadiga, mas também medidas de projeto que possam prolongar a vida útil do ventilador.
Com base nos resultados obtidos, várias recomendações para otimização do projeto foram identificadas. A introdução de ajustes específicos na geometria do ventilador, a escolha de materiais alternativos e a revisão das tolerâncias de fabricação foram sugeridas como melhorias potenciais.
A interpretação dos resultados revela implicações práticas significativas para a indústria.
A implementação das recomendações propostas pode resultar em ganhos substanciais em termos de confiabilidade operacional, vida útil estendida e redução de custos de manutenção. Além disso, a abordagem holística adotada neste estudo destaca a necessidade de considerar múltiplos aspectos, desde a modelagem estrutural até a implementação de melhorias práticas no design (Santos et al., 2022).
É importante reconhecer algumas limitações deste estudo. As simplificações adotadas na modelagem estrutural podem introduzir alguma margem de erro nos resultados. Além disso, a validação experimental em escala real pode ser necessária para corroborar completamente as conclusões teóricas.
Considerando as limitações identificadas, sugere-se que futuras pesquisas incluam validações experimentais mais abrangentes e estudos detalhados sobre materiais alternativos. Além disso, a aplicação de técnicas avançadas de simulação, como a análise por elementos finitos dinâmicos, pode proporcionar uma compreensão mais refinada do comportamento do ventilador em condições operacionais complexas.
Em resumo, os resultados apresentados neste estudo fornecem uma base sólida para a otimização contínua do design de ventiladores centrífugos, destacando a necessidade de uma abordagem integrada que leve em conta tanto as análises teóricas quanto as melhorias práticas no projeto. Esses achados têm o potencial de impactar positivamente a eficiência operacional e a confiabilidade de sistemas de ventilação cruciais em diversas aplicações industriais e comerciais.
A ductilidade desempenhou um papel crucial na prevenção de falhas em estruturas de aço soldadas, proporcionando resiliência, absorção de energia e mecanismos de falha progressivos. As recomendações derivadas deste estudo podem orientar práticas de projeto e execução que maximizam a ductilidade dos materiais, garantindo a integridade estrutural e a confiabilidade a longo prazo em sistemas de ventilação centrífuga e estruturas similares.
Os resultados obtidos têm implicações práticas significativas para a indústria de estruturas de aço soldadas, destacando a importância da ductilidade para a prevenção de falhas.
Considerações futuras podem explorar a aplicação de materiais avançados com propriedades mecânicas otimizadas para ambientes específicos de ventilação centrífuga. Dessa forma, as estruturas de aço soldadas podem oferecer resistência, durabilidade e capacidade de absorção de energia necessárias para evitar falhas catastróficas.
4. CONCLUSÃO
O estudo abrangente sobre o dimensionamento, análise de falha e vida em fadiga do ventilador centrífugo proporcionou uma visão aprofundada das complexidades envolvidas na garantia da integridade estrutural e da durabilidade desses equipamentos essenciais em diversas aplicações industriais e comerciais. Ao longo deste trabalho, foram explorados aspectos teóricos e práticos, e os resultados obtidos proporcionam valiosas contribuições para a área de projeto e manutenção de sistemas de ventilação.
Este trabalho ainda proporcionou uma análise abrangente sobre o dimensionamento, análise de falha e vida em fadiga de um ventilador centrífugo, com foco na ductilidade como fator crucial na prevenção de falhas em estruturas de aço soldadas.
Os achados deste estudo têm implicações práticas significativas para a mecânica e indústria, fornecendo informações valiosas para engenheiros de projeto e operadores de sistemas de ventilação centrífuga.
A implementação de melhorias sugeridas pode resultar em ganhos substanciais em eficiência operacional, confiabilidade e custos de manutenção a longo prazo.
Em suma, este estudo não apenas contribui para o entendimento teórico dos processos de dimensionamento e análise de fadiga em ventiladores centrífugos, mas também oferece orientações práticas para aprimoramentos na concepção e operação desses equipamentos fundamentais. Considerando as limitações e as oportunidades para pesquisas futuras, espera-se que este trabalho sirva como um recurso valioso para profissionais e pesquisadores envolvidos na engenharia mecânica.
Referências
GUO F, LIU W, WANG X, MISRA RDK, SHANG C. Controlling variability in mechanical properties of plates by reducing centerline segregation to meet strain-based design of pipeline steel. Metals. 2019;9(7):749.
LIMA, L. M. Dimensionamento de análise de falha e vida em fadiga de um ventilador centrífugo. Monografia (Graduação em Engenharia Mecânica) – Engenharia, Instituto de Ensino Superior Fucapi (CESF), Manaus, 2023.
PAIVA, M. F. Estudo de viabilidade técnica da troca do aço ASTM A36 por polietileno de alta densidade para um tanque de polimento de efluentes / Matheus Fernandes Paiva. – 2023. 52 f: il; 30 cm.
PASQUALI, G. NASCIMENTO, V. do. Análise de falha e vida em fadiga de um eixo de acionamento de ventilador centrífugo. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano. 07, Ed. 09, Vol. 02, pp. 115-139. Setembro de 2022.
ROY, A. et al. Investigation of torsional failure of a centrifugal pump shaft. Engineering Failure analysis, Kalinganagar, India, 2020.
SANTOS, M. L. DOS.; MACIEL, T. M.; SANTANA, R. A. C. DE. Uma Contribuição para o Entendimento da Influência das Tensões Residuais na Fragilização por Hidrogênio em Aços API 5L. Soldagem & Inspeção, v. 27, p. e2717, 2022.
¹Discente do Curso de Engenharia Mecânica – Fundação Centro de Pesquisa e Inovação Tecnológica – FUCAPI, Manaus – AM – e-mail: priaruda@gmail.com
2Docente do Curso de Engenharia Mecânica – Fundação Centro de Pesquisa e Inovação Tecnológica – FUCAPI, Manaus – AM – e-mail: siomararocha.quimica@gmail.com