Análise experimental de fadiga mecânica em placas de trocadores de calor casco e placas

Abstract

Os custos decorrentes da prevenção de colapso em operações de engenharia são bastante elevados e estima-se que 80% deles decorrem de situações que englobam carregamentos cíclicos e fadiga. Com relação às plataformas offshore, estima-se que 50% dos custos de monitoramento das condições de serviço se referem a inspeções para averiguar trincas por fadiga. Dentre as novas tecnologias empregadas em plataformas de petróleo para condicionamento térmico, destaca-se o trocador de calor casco e placas (PSHE). Trata-se de uma construção em placas corrugadas circulares, soldadas e projetadas para operar a altas pressões e temperaturas. As regiões soldadas que unem as placas individuais do trocador se apresentam como áreas suscetíveis à ocorrência de falhas por fadiga. A necessidade de compreender e prever esse tipo de falha é de fundamental importância para o aumento da confiabilidade deste tipo de trocador e, consequentemente, para a determinação de sua vida útil. Este trabalho tem como objetivo o estudo analítico e experimental da vida útil em fadiga mecânica de placas de trocadores PSHE. A análise elástica de fadiga foi baseada na norma ASME para determinação analítica da vida útil, bem como dos fatores de redução à resistência a fadiga em regiões de solda (Kf). Para tanto, foi desenvolvida uma bancada experimental para testes de fadiga reproduzindo carregamentos com pressão controlada. Valores de deformação foram medidos com a instalação de extensômetros em potenciais locais de falha e as tensões correspondentes calculadas. Para a calibração do aparato experimental e a validação da metodologia empregada, experimentos foram realizados em geometrias amplamente consolidadas na literatura e que apresentam regiões soldadas como cilindros de gás refrigerante. Todos os conjuntos de placas testados apresentaram falha na solda, com médias experimentais de 14059, 8562 e 3167 ciclos para as pressões internas de 1,0, 1,2 e 1,4 MPa, respectivamente. Por fim, destaca-se que a variação do espaçamento entre placas tem impacto direto na vida em fadiga mecânica do componente. A redução do espaçamento entre placas resultou em um aumento exponencial da vida útil medida do componente. Assim, a pressão aplicada para manter as placas pressionadas resulta em um campo de tensões benéficas à estrutura (pró-tensões).

Abstract: Costs related to collapse prevention in engineering operations are quite high. Estimations suggest that 80% of total prevention budget arise from situations involving cyclic loading and fatigue. In offshore platforms, it is estimated that nearly 50% of monitoring costs are related to fatigue crack propagation inspections. Among the new offshore technologies, the Plate and Shell Heat Exchanger (PSHE) stands out as an effective and robust solution to the streams thermal conditioning of the working fluids. PSHEs consist of circular welded plates inserted in a vessel to operate at high pressures and temperatures. The welded structures at the plate intersections are susceptible to fatigue failures. To comprehend the fatigue process at these structures is fundamental to increase the heat exchanger reliability and to estimate useful life. This work aims at predicting the useful life of PSHEs damaged by fatigue loads by means of analytical model based on ASME rules for construction of pressure vessels. Prototypes stress estimations are possible due to strain gage and pressure transducer measurements. In order to validate the experimental procedure, preliminary tests were performed in conventional vessels with welding junctions such as refrigerant gas cylinders. All PSHE samples failed in the weld zone. The average number of cycles to detect failure is 14059, 8592 and 3167 for internal pressures of 1.0, 1.2 and 1.4 MPa, respectively. Finally, this study observed that the variation in spacing between plates has a direct effect on mechanical fatigue life. The reduction in spacing between plates resulted in an exponential increase in the measured fatigue life. The pressure applied to keep the plates pressed against each other results in a field of beneficial stresses to the structure.