Como a espessura da parede da bainha de aço inoxidável 316 influencia a distribuição da tensão residual após a estampagem e seu efeito na vida da fadiga por corrosão em ambientes marinhos?

A fadiga por corrosão é um mecanismo de falha particularmente agressivo para aquecedores elétricos de imersão especificados por engenheiros navais para plataformas offshore, sistemas de bordo e plantas industriais costeiras quando carga mecânica cíclica e corrosão por cloreto são combinadas. A fadiga por corrosão leva ao início de trincas em amplitudes de tensão muito mais baixas e ciclos de vida mais curtos do que a fadiga pura ao ar ou a corrosão pura em ambientes estáticos. As tensões residuais geradas pela estampagem (que compacta o isolamento de óxido de magnésio em torno do fio de resistência) interagem com as tensões de serviço e aceleram ou retardam a formação de fraturas dependendo do seu sinal e magnitude. Este artigo quantifica o efeito da espessura da parede da bainha na distribuição da tensão residual após a estampagem e o efeito dessas tensões residuais na vida em fadiga por corrosão em um ambiente marinho.

Geração de Tensão Residual na Estampagem de Bainhas 316
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The amplitude of these residual strains is dependent on the wall thickness compared to the diameter reduction. In the case of a thin-walled sheath with wall thickness below 1.0 mm, the swaging force penetrates almost the entire wall thickness, which leads to strong compressive stresses at the outer surface (often from -200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (from +50 to +100 MPa). For a thick-walled sheath (>1,8 mm), a força de estampagem é absorvida principalmente nas camadas externas e grandes tensões de compressão são produzidas apenas perto da superfície externa, sendo as camadas internas relativamente inalteradas. As tensões de tração na superfície interna também são reduzidas devido à compactação menos completa do MgO. Os estudos de difração de raios X da tensão residual em bainhas estampadas 316 validam essa correlação. Para uma bainha de parede de 0,9 mm a tensão de compressão superficial foi de -280 MPa. Uma bainha de parede de 1,5 mm tinha -180 MPa. 2.0 mm de bainha de parede revelada apenas -120 MPa. A bainha mais fina tem uma tensão de compressão mais favorável na superfície exterior, onde geralmente se formam fissuras por fadiga e corrosão.

Papel da tensão compressiva residual no retardamento do início de trincas por fadiga e corrosão
A tensão de tração cíclica e o eletrólito corrosivo contendo cloretos causam início de fratura por fadiga e corrosão no aço inoxidável 316. A trinca começa em um buraco ou inclusão na superfície onde o revestimento protetor passivo falhou. Se um estado de tensão residual de compressão estiver presente na superfície, a tensão de tração cíclica aplicada deve superar essa compressão para produzir tensão líquida na ponta da trinca. Isto aumenta significativamente o nível de tensão necessário para iniciar uma fissura. Se a compressão residual da superfície for de -280 MPa e a tensão cíclica aplicada for +200 MPa, então a rede na superfície será de -80 MPa. Isto ainda é compressivo e não pode iniciar uma trinca por fadiga. A tensão líquida só existe se a tensão cíclica estiver acima de +280 MPa. Em comparação, uma bainha de 2,0 mm que tem apenas -120 MPa de compressão superficial está em tensão líquida quando a tensão aplicada é maior que +120 MPa, um limite muito mais baixo. Testes de fadiga por corrosão em água do mar sintética a 60°C validam este efeito. Amostras com espessura de parede de 0,9 mm e compressão residual substancial suportaram 10 milhões de ciclos a 250 MPa, aplicando tensão alternada sem início de trinca. Na mesma carga aplicada, amostras com pouca compressão residual e espessura de parede de 2,0 mm falharam após 2 milhões de ciclos. A bainha mais fina rendeu cinco vezes maior vida útil à fadiga por corrosão, apesar da reduzida espessura absoluta da parede.

Troca-entre o benefício da tensão residual e a margem de espessura da parede
Bainhas-de paredes finas têm vantagem na fadiga por corrosão, mas isso deve ser equilibrado com a margem inferior do material caso uma trinca comece. Uma bainha de 0,9 mm com compressão residual substancial pode resistir ao início da fissura durante milhões de ciclos. Qualquer fissura, no entanto, que tenha superado o campo de tensão residual, seja por um grande buraco superficial ou por uma sobrecarga transitória, tem apenas 0,9 mm de material para se propagar antes da perfuração. Uma bainha de 2,0 mm com menos compressão residual pode induzir uma trinca em menos ciclos, mas a trinca deve se propagar 2,0 mm para produzir falha. Vida total até a falha=Vida de inicialização + Vida de propagação O teste de fadiga por corrosão em água salgada a 60°C em um aparelho de feixe rotativo fornece os seguintes ciclos totais até a falha para bainhas 316 de diâmetro externo de 10 mm a 200 MPa de tensão alternada. Uma bainha de 0,8 mm atingiu um total de 12 milhões de ciclos, 11,5 milhões para iniciação e 0,5 milhão para propagação. A bainha de 1,2 mm resistiu a 8 milhões de ciclos, 7 milhões para iniciação e 1 milhão para propagação. A bainha de 1,6 mm suportou 5 milhões de ciclos (3 milhões para iniciação e 2 milhões para propagação). A bainha de 2,0 mm durou 3,5 milhões de ciclos, dos quais 1,5 milhões foram para iniciação e 2 milhões para propagação. A bainha-de parede fina tem a maior compressão residual e a vida total mais longa, mesmo que a margem de propagação seja pequena.

Matriz de Seleção de Vida em Fadiga por Corrosão em Ambiente Marinho
A tabela a seguir mostra as espessuras de parede de bainha 316 recomendadas para aquecedores elétricos de imersão em serviço marítimo, dependendo da amplitude de tensão cíclica estimada e da vida útil necessária. Os valores são para exposição contínua à água do mar ou água salobra a 30–60°C e também para técnicas normais de estampagem sem recozimento pós{4}}de estampagem.

Amplitude de tensão cíclica esperada Vida útil necessária Recomendada 316 Espessura da parede da bainha Modo de falha dominante Fundamentação do projeto
Baixo, menos de 50 MPaMais de 10 anos 1,2 – 1,6 mm Corrosão em fendasEspessura impulsionada pela tolerância à corrosão, benefício de tensão residual menos significativo
Moderado, 50 – 150 MPa 5 – 10 anos 1,0 – 1,2 mm Início da fadiga por corrosão A parede fina proporciona alta compressão residual para evitar rachaduras
Moderado, 50 a 150 Mpa10 anos ou mais 1,4 – 1,6 mm com recozimento pós-estampagem Propagação desde a origem O recozimento reduz a vantagem da tensão residual; usar margem de espessura
Alto, 150 – 250 MPa 3 – 5 anos 0,8 – 1,0 mm Iniciação por fadiga por corrosãoAceita vida útil curta, compressão residual máxima essencial
High, 150 – 250 MPa>5 anos316 Não é possívelSobrecarga ou fissuração rápida Substitua por Incoloy 825 ou titânio
Variável com muitas sobrecargasQualquer vida útil 1,6 – 2,0 mm Propag. após uma rachadura inesperada A margem de espessura protege contra eventos imprevistos
Em aplicações onde as tensões cíclicas são induzidas por vibração, ciclos de expansão térmica ou mudanças de pressão, é importante poder medir ou estimar a amplitude da tensão. Na ausência de medição, um nível de tensão moderado de 100 MPa é um padrão prudente. Nestes casos, a espessura da parede de 1,2 mm proporciona o compromisso ideal entre a vantagem da tensão residual e a margem de propagação. Os engenheiros também devem considerar a recomendação de recozimento pós--estampado para bainhas de paredes-espesas usadas em aplicações de-ciclo alto. O recozimento a 1050 graus remove completamente as tensões residuais e, portanto, o benefício da fadiga por corrosão das paredes finas, mas também as tensões residuais de tração na superfície interna que podem levar à propagação da fratura. Uma bainha recozida de 1,6 mm tem uma vida útil total semelhante à fadiga de uma bainha-não recozida de 1,2 mm, oferecendo uma abordagem alternativa para alcançar uma longa vida útil sem depender de paredes finas. A escolha de paredes finas com alta tensão residual ou paredes espessas com recozimento depende da capacidade de fabricação e do custo. Para a maioria das aplicações marítimas onde a vibração está presente, mas não severa, a estampagem normal oferecerá desempenho confiável contra fadiga por corrosão sem processamento extra se a espessura da parede estiver na faixa de 1,2 a 1,4 mm.