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Este post apresenta de forma profissional oito métodos para analisar as causas de falha na ruptura dos invólucros de termopares. A Changhui Instruments, com base em pesquisas de campo, experiência prática e informações relevantes, resumiu as causas mais comuns de ruptura desses invólucros, a fim de servir de referência para os técnicos especializados em instrumentação. Os termopares são componentes sensíveis à temperatura, amplamente utilizados em instrumentos de medição de temperatura. Eles são aplicados em diversas áreas, como produção industrial e pesquisa científica. Eles medem diretamente a temperatura do meio em questão e convertem o sinal de temperatura em um sinal de eletromotrizidade térmica. Em seguida, esse sinal é convertido, por meio de instrumentos elétricos, na temperatura real do meio a ser medido, permitindo assim a exibição, transmissão e controle da temperatura. Como são frequentemente utilizados em ambientes com altas temperaturas, alta pressão, meios altamente corrosivos e fluxos de fluido de alta velocidade, para garantir que os sensores de temperatura funcionem de maneira normal, segura e estável, geralmente se utiliza um invólucro termopar para proteger o termopar. Embora o design do invólucro do termopar tenha como objetivo principal proteger o funcionamento adequado do termopar, na prática ele também consegue desempenhar essa função de proteção. No entanto, analisando os tipos de falhas que ocorrem nos termopares atualmente, constata-se que a ruptura do invólucro do termopar continua sendo a forma mais comum de falha. A Changhui Instruments descreve de forma organizada os métodos de pesquisa relacionados à ruptura dos invólucros dos termopares, analisa as causas gerais dessas falhas e resume as medidas de prevenção para evitar a ruptura dos invólucros dos termopares. Causas de ruptura do invólucro do termopar yunrun.com.cn/tech/2904.html 1. Aparência e seleção do invólucro do termopar Figura 1: Tubo de proteção do sensor de temperatura THERMOWELL Figura 2: Invólucro do termopar As Figuras 1 e 2 mostram imagens dos invólucros de termopar mais comuns. Mais detalhes sobre a seleção e os parâmetros técnicos do invólucro do termopar podem ser encontrados em “Tubo de proteção do sensor de temperatura THERMOWELL”. 2. Métodos de análise da falha por ruptura do invólucro do termopar – A Changhui Instruments realiza, neste artigo, uma análise e estudo dos invólucros de termopar que sofreram ruptura. Para determinar as causas da ruptura e encontrar soluções para ela, geralmente são utilizados métodos como análise macroscópica das falhas, análise da composição química, análise das propriedades mecânicas, análise metalográfica e análise por microscopia eletrônica de varredura. Além disso, a análise de avaliação da corrosão, a análise modal e a análise por simulação numérica também são métodos frequentemente utilizados na análise de rupturas de tubulações causadas pela corrosão estrutural, vibrações intensas e impactos de fluidos. ①Análise macroscópica de fissuras: A análise macroscópica de fissuras é geralmente utilizada para determinar a localização da área de ruptura, bem como o estado geral das estruturas vizinhas, as características da superfície da fissura, seus tamanhos, a distinção entre a área de ruptura imediata e a área de expansão da fissura, a distribuição da cor na área da fissura, o grau de planicidade e suavidade da área danificada, o tipo de ruptura, a presença ou ausência de deformações plásticas significativas, a presença ou ausência de manchas de corrosão e outros defeitos de soldagem. Isso permite obter uma compreensão inicial sobre as condições de ruptura do revestimento, servindo como base para análises mais aprofundadas. A Figura 3 mostra uma foto macroscópica da superfície de ruptura do invólucro do termopar. A superfície de ruptura é lisa e uniforme, e podem ser observados os padrões em forma de concha, típicos de rupturas por fadiga. http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051714288764.png Figura 3: Foto macro da área de ruptura do invólucro do termopar. ② Análise da composição química: São coletadas amostras em forma de pedaços do invólucro danificado, e, por meio de análises químicas ou espectroscópicas, é feita a análise da composição química do material do invólucro. O objetivo é determinar se os teores dos diferentes elementos presentes no material correspondem aos requisitos estabelecidos para esse tipo de material. Por exemplo, Xia Mingliu e outros realizaram uma análise da composição química de um invólucro de aço inoxidável que sofreu ruptura; constatou-se que o teor de P nesse material estava de acordo com os requisitos para materiais de alta qualidade ； Porém, o teor de elemento S é elevado, e um nível excessivo de S prejudica significativamente as propriedades desse aço resistente ao calor. Isso pode causar fragilidade térmica no material, reduzindo sua resistência a altas temperaturas, o que afeta a vida útil do tubo. ③Análise das propriedades mecânicas A análise das propriedades mecânicas dos invólucros de termopares é realizada, principalmente, por meio de testes de tração, a fim de determinar se as propriedades mecânicas reais do material atendem aos requisitos estabelecidos para essas propriedades. Em estudos publicados, foi feita a análise das propriedades mecânicas dos invólucros de termopares feitos de 20Cr25Ni20. Foi constatado que a resistência à tração desses invólucros atende aos requisitos padrão do material, mas sua plasticidade é inferior aos requisitos do aço 20Cr25Ni20. Após os testes de tração, observou-se que os amostras sofreram certa deformação plástica. ④Análise metalográfica: Na análise metalográfica de quebras nas capas dos termopares, são coletadas amostras metalográficas da área de ruptura, dos pontos de solda e das conexões. Após serem moídas e polidas, essas amostras são tratadas com uma solução de oxálico em proporções adequadas, para que sua estrutura metalográfica possa ser observada sob microscópio. Dessa forma, é possível determinar o tipo de estrutura do material de base, bem como a qualidade da solda nos pontos de conexão. A microfotografia metalográfica de um invólucro de termopar é mostrada na Figura 4. A análise revelou que há uma grande quantidade de grânulos de carboneto no tecido do substrato, o que indica que o teor de carbono desse material é muito alto. Além disso, a análise mostrou que não apenas há muitos carbonetos, mas sua distribuição também é bem definida em forma de faixas. Isso pode afetar negativamente as propriedades do aço, causando anisotropia no material. Além disso, os testes de dureza revelaram que a precipitação de uma grande quantidade de partículas de carboneto fez com que o material do invólucro do termopar endurecesse significativamente. http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051711177149.png Figura 4: Foto microscópica da estrutura metalúrgica do invólucro do termopar. ⑤ Análise por microscópio eletrônico de varredura: A análise por microscópio eletrônico de varredura é realizada com base na análise metalúrgica, utilizando um microscópio eletrônico de varredura para observar e analisar mais detalhadamente a estrutura microscópica da área de ruptura. Dependendo das necessidades da análise, costuma-se utilizar vários níveis de ampliação diferentes para obter informações sobre a localização de origem das fissuras, a direção de sua propagação, o tamanho da área afetada, a estrutura da área de ruptura instantânea e as características gerais da mesma. Essa análise é um passo fundamental para determinar as causas da ruptura do invólucro. ⑥Análise de avaliação da corrosão A análise de avaliação da corrosão não é uma opção obrigatória; ela é necessária apenas em casos em que existem manchas de corrosão evidentes, o que pode ter causado a ruptura do tubo devido à corrosão. Além disso, nos casos em que algumas rupturas não foram tratadas por um período excessivamente longo e nas quais surgiram óxidos evidentes na área da fratura, também pode ser realizada uma análise de corrosão nos invólucros dos termopares. ⑦A análise modal é frequentemente utilizada para investigar casos em que ocorre a ruptura dos invólucros dos termopares, o que geralmente se deve a vibrações intensas ou até mesmo ressonância. A análise modal pode incluir tanto testes de modalidade no local quanto simulações por meio de métodos de elementos finitos. O objetivo dessa análise é determinar as frequências naturais de cada fase da estrutura e do fluido. Em particular, é importante evitar que as frequências naturais da estrutura sejam iguais ou muito próximas das frequências naturais do fluido, pois isso pode causar problemas devido às vibrações. ⑧A análise por simulação numérica inclui também o uso de softwares de análise por elementos finitos (como o ANSYS) para realizar a análise modal, conforme mencionado na análise modal. No entanto, é comum que se utilize métodos baseados em dinâmica dos fluidos computacional (ou seja, método CFD) para estudar a ruptura das capas dos termopares. Por exemplo, alguns estudos utilizaram o método de simulação de grandes vórtices para realizar simulações numéricas do fluxo de ar sobre as capas dos termopares. Com isso, foi possível determinar as forças exercidas sobre essas capas. Através da análise mais aprofundada dos resultados, foram encontradas medidas eficazes para reduzir essas forças. 3. Causas da ruptura do invólucro do termopar As causas da ruptura do invólucro do termopar são diversas, e as situações reais podem variar. A Changhui Instruments, com base em pesquisas de campo, experiência prática e informações relevantes, resumiu as causas mais comuns de ruptura: ① Defeitos de soldagem Ao analisar os locais onde ocorre a ruptura do invólucro do termopar, constatou-se que as áreas ao redor dos pontos de soldagem são as mais propensas a rupturas, o que geralmente está relacionado a defeitos de soldagem. A literatura, ao analisar as causas de ruptura do revestimento do termopar em linhas de transferência de óleo sob pressão reduzida, menciona que a má qualidade da solda, a estrutura irregular na área afetada pelo calor e os defeitos de soldagem causam a concentração de impurezas na região da parede externa. Além disso, a estrutura microscópica apresenta defeitos como porosidade e cavidades. Sob cargas de impacto intensas, surgem fissuras que se expandem rapidamente, levando à ruptura do revestimento do termopar. ②Vibração do tubo: O tubo principal que conecta o termopar geralmente está cheio de fluido. Se a densidade do fluido for alta e a velocidade do fluxo muito elevada, ocorrerá um estado de turbulência. Isso gera vórtices nas proximidades do tubo. Quando esses vórtices se formam e se dissolvem alternadamente dos dois lados do tubo, isso causa variações periódicas na força de sustentação e na resistência exercidas sobre o tubo. Consequentemente, a distribuição da pressão dentro do tubo muda constantemente. A pressão e a direção do fluido agindo sobre o tubo também mudam continuamente, o que acaba causando vibrações no tubo. Ocorre ressonância quando a frequência de excitação do fluido é semelhante ou até igual à frequência natural do tubo. Uma vez que ocorra uma ressonância intensa, são geradas tensões alternadas periódicas dentro do tubo. Tubos que ficam sujeitos a essas tensões alternadas por um longo período podem sofrer ruptura por fadiga em algumas áreas onde as tensões são mais elevadas. ③Descamação por corrosão: As mangas dos termopares costumam estar em ambientes extremos, como altas temperaturas, altas pressões e alta umidade, além de estarem em contato com meios altamente corrosivos. Por causa da corrosão, essas mangas podem se quebrar e deixar de funcionar. Algumas formas de corrosão podem ser observadas a olho nu, enquanto outras exigem análises metalográficas para serem detectadas. Por exemplo, a corrosão intercristalina pode causar fissuras que levam à ruptura por fadiga nos locais onde ela ocorre. ④Escolha inadequada do material para o invólucro: os invólucros de termopares exigem um alto nível de resistência do material, além de serem capazes de suportar condições extremas. Existem três principais situações em que a escolha inadequada do material causa a ruptura do invólucro: primeiro, o material não atende aos requisitos estabelecidos pelas normas aplicáveis ； Em segundo lugar, o material utilizado na prática não corresponde ao material escolhido para o design (esse é um problema que costuma ser encontrado na análise das composições químicas; é também uma razão importante pela qual a análise das composições químicas é necessária) ； Terceiro, a seleção dos materiais dá ênfase à resistência mecânica, sem levar em consideração fatores como resistência a altas temperaturas e pressões, bem como à corrosão; ou então, esses fatores não são levados em conta em termos de seus efeitos a longo prazo. ⑤Posicionamento inadequado do termopar: Se a ruptura do invólucro do termopar ocorrer perto de elementos como curvas, placas de orifício, conexões de diferentes tamanhos e válvulas, é muito provável que isso se deva a um posicionamento inadequado do termopar. Afinal, esses locais são áreas onde as forças de excitação e a energia se concentram. Portanto, se não for necessário para a medição e controle da temperatura, o termopar deve ser instalado longe dessas áreas. ⑥Instalação inadequada do termopar: Se o invólucro do termopar for instalado verticalmente no tubo, sua condição de carga pode ser simplificada como um modelo de viga suspenso. A ruptura geralmente ocorre na conexão entre o invólucro e o tubo principal; essa área corresponde à raiz da viga suspenso, sendo o ponto onde a carga é maior. É também o local onde o estresse se concentra com mais facilidade. Portanto, para termopares que podem funcionar mesmo quando instalados em ângulo, é possível optar por uma instalação em determinado ângulo. Além disso, o comprimento do invólucro do termopar dentro do tubo principal também é um fator importante que afeta sua resistência à ruptura; esse comprimento deve ser escolhido de maneira adequada. Este artigo apresenta, principalmente, métodos para analisar as causas de falha na ruptura dos invólucros de termopares, bem como as causas mais comuns para essa ruptura. Fique atento ao artigo “Quais são as medidas para prevenir a ruptura dos invólucros de termopares”. Autores: Yuan Wei, Yang Zhirong