Rotura de um Cabo de Catamarã Devido a Corrosão e Fadiga
1. INTRODUÇÃO
Este trabalho refere um caso de rotura prematura causada por fadiga assistida
por corrosão, ou seja, uma falha devida às condições ambientais de serviço.
Os fenómenos corrosivos estão muitas vezes na origem de roturas por fadiga ou,
pelo menos são responsáveis pela sua aceleração. A sua acção pode consistir na
redução da resistência à fadiga através da iniciação de fissuras, picadas ou
cavidades que se propagam posteriormente por fadiga, ou por aumentar a
velocidade de propagação das fissuras pré-existentes devido à presença no seu
interior de um meio corrosivo [1,2].
Para solicitações de baixa intensidade, o efeito mecânico é secundário face ao
ataque químico. No entanto, para esforços variáveis mais intensos e de
frequência elevada, num meio moderadamente agressivo, predomina o efeito da
fadiga. Em geral, os efeitos da fadiga assistida por corrosão são mais
significativos para frequências e esforços moderados. Até hoje, não foi
possível desenvolver completamente um material metálico que resistisse
plenamente a este tipo de degradação [3].
A corrosão intersticial ou por fendas ocorre habitualmente nas juntas de
ligação entre duas superfícies metálicas quando expostas a líquidos corrosivos
e estagnados, sendo mesmo crítica para os próprios aços inoxidáveis [4,5]. O
interior da fenda torna-se anódico atendendo à carência em oxigénio, enquanto
que a área exterior mais oxigenada será catódica, e como tal protegida [2]. O
mecanismo da corrosão intersticial é semelhante ao da corrosão por picadas, ou
seja, ambas originam cavidades sob a acção de aniões, em particular os
cloretos. Deste modo, esta forma de corrosão é tomada como um caso particular
da corrosão por picadas, ainda que ocorra para potenciais de corrosão
inferiores [6]. A sua prevenção só é possível através de um projecto cuidado
que dê uma particular atenção à geometria do sistema, aos materiais envolvidos
e a meios de protecção específicos [6].
Neste trabalho analisaram-se as causas da rotura da peia da barra de união dos
cascos de um catamarã à vela, a partir de dois troços adjacentes da zona de
rotura. A Fig. 1 exemplifica a configuração da montagem da peia da barra de
união dos cascos, usual em catamarãs, e a localização da zona da rotura. A peia
era constituída por um cabo de 16 mm de diâmetro composto por 19 arames de aço
inoxidável austenítico de diâmetro idêntico e igual a 3 mm, dispostos num
enrolamento do tipo Warrington de duas camadas, com um arame central, 6 arames
na primeira camada e 12 na segunda. O cabo não tinha alma nem qualquer
isolamento entre os arames. A peia estava cravada por aperto na cabeça, na
forma de um tubo com uma das extremidades fechadas, de um perno roscado de aço
inox e encontrava-se ligada à barra através de uma junta roscada que a mantinha
esticada (Fig. 2).
Fig. 1- Configuração da montagem da peia da barra de união dos cascos, usual em
catamarãs, e indicação da localização da zona da rotura em análise.
Fig._2 ' Zona de rotura do cabo: a) aspecto geral da rotura junto da zona
encastrada no tubo roscado,≈ 0,3x; b) pormenor da zona de rotura, vista
lateral, ≈ 0,9x; c) pormenor da zona de rotura, vista de topo, ≈ 1,2x.
2. ANÁLISE DE FALHA
Os elementos recebidos para análise foram as partes em que o cabo ficou
separado após rotura, assim como a descrição das funções previstas para este
elemento estrutural a fim de permitir uma previsão dos esforços em serviço.
Antes de proceder aos cortes necessários para facilitar a observação exaustiva
das superfícies de fractura procedeu-se ao exame de todos os elementos
recebidos, nomeadamente ao despiste de outras zonas degradadas ou fissuradas.
Em particular, antes de proceder ao corte do troço do lado do cabo tomaram-se
as medidas necessárias para impedir o seu desenrolamento e a consequente
alteração da localização relativa dos pontos de rotura nos diferentes arames.
A zona da rotura do cabo da peia, e em particular ambos os lados das
superfícies de fractura dos 19 arames envolvidos, foram submetidos a exame
visual e exame fractográfico com lupa estereoscópica, a baixas ampliações (6 a
50 vezes).
Os produtos exsudados dos interstícios entre cabos foram identificados por
difracção de raios-X.
A observação visual mostrou que a rotura ocorreu na zona do encastramento do
cabo na cabeça tubular fechada do perno e os locais de fractura nos diferentes
arames estavam relativamente próximos uns dos outros (Fig. 2 e 3).
Fig. 3 - Zona de rotura do cabo do lado não encastrado, ≈ 0,7x.
A distância entre os locais de rotura nos diferentes arames não excedeu 7 - 8
cm e a maioria dos arames fracturou no interior do tubo, com afastamentos entre
roturas da ordem de 1 - 2 cm, havendo mesmo roturas praticamente adjacentes. As
paredes do tubo de encastramento e os troços dos arames, no seu interior,
apresentavam uma coloração castanha avermelhada.
As superfícies de fractura da maioria dos arames que romperam no interior do
tubo, nomeadamente os da camada exterior, não mostravam indícios de redução de
secção e eram maioritariamente planas e praticamente normais ao eixo (Fig._2 c)
e Fig. 3). No caso das fracturas no exterior do encastramento, as superfícies
eram irregulares, por vezes, inclinadas a cerca de 45º ou em bisel, e
normalmente com redução de secção.
A camada central dos arames manteve o enrolamento de cablagem após rotura.
A superfície exterior dos arames na vizinhança da fractura revelou a existência
de irregularidades do tipo cavidades, picadas e esmagamento. Na generalidade, o
cabo para além da fractura não evidenciou outros danos, como sejam esmagamentos
e outras roturas de arames, corrosão, e áreas de desgaste ou erosão.
Para facilitar a manipulação e as observações de pormenor na lupa
estereoscópica, seccionaram-se troços mais curtos dos arames do lado não
encastrado, com comprimentos entre 5 e 10 cm. O troço do lado encastrado foi
também seccionado, inicialmente a cerca de 2,5 cm do topo do tubo, no entanto,
esta distância revelou-se insuficiente para recolher todas as superfícies de
fractura deste lado, pois um dos arames tinha fracturado mais para o interior
(fig. 4), segundo uma superfície quase plana, normal ao eixo e sem redução de
secção. Por tal motivo efectuou-se novo corte cerca de 1 cm abaixo para recolha
desta superfície. Decorridos dois dias após os cortes, a superfície inferior
desta segunda secção e a superfície da parte restante do perno apresentaram um
depósito branco de sais nos interstícios entre os arames (Fig. 5) que foi
recolhido e analisado por difracção de Raios-X. Contudo, alguns dias depois
surgiu de novo o depósito, o que indica a sua substancialidade.
Fig. 4 - Superfície de corte do cabo no interior do encastramento a uma
profundidade de ≈ 2,5 cm. Assinalada a superfície de fractura de um arame, ≈
3x.
Fig. 5 - Aspecto da superfície de corte na zona encastrada após alguns dias de
exposição ao ar, ≈ 3x.
RESULTADOS
3.1 Difracção de Raios-X
A identificação por difracção de Raios-X dos produtos exsudados do interior dos
interstícios do cabo foi efectuada usando radiação de Cu-kα. Os resultados
mostraram que os depósitos eram constituídos essencialmente por cloreto de
sódio e alguma magnetite (Fig. 6).
Fig. 6 - Espectro de difracção de raios-X dos produtos exsudados.
3.2 Fractografia
O exame à lupa, com ampliações de 6 a 50x, de todas as superfícies de fractura
do lado não encastrado do cabo e das faces opostas do lado encastrado,
realizou-se de imediato nas zonas acessíveis dos arames salientes. Nas
restantes superfícies, este só foi possível após os cortes. Houve o cuidado de
procurar estabelecer a correspondência entre as faces opostas.
As superfícies de fractura foram previamente lavadas em água quente com sabão,
limpas com ultra-sons em álcool durante cerca de 30 minutos e secas com um
jacto de ar quente.
O estado da superfície exterior dos arames, em especial nas proximidades da
rotura, foi igualmente objecto de análise. Verificou-se existirem sinais de
desgaste / esmagamento, assim como de corrosão localizada com formação de
cavidades ao longo da mesma. O conjunto dos 19 arames do lado não encastrado,
depois de examinado, foi separado em 2 grupos consoante o tipo predominante da
superfície de fractura: grupo A, as planas e quase sem deformação com excepção
para uma pequena área de rotura final; e grupo B, as não planas do tipo dúctil,
deformadas e com estricção e com características de rotura quer por tracção
quer por corte.
As superfícies de fractura foram numeradas por ordem de observação e o seu
aspecto está documentado nas Fig 7 e 8.
Fig._7 - Superfícies de fractura dos arames com superfícies de fractura total
ou parcialmente planas. Lado da rotura na zona não encastrada.
Fig._8 - Superfícies de fractura dos arames com superfícies de fractura
irregulares e estricção. Lado da rotura na zona não encastrada.
3.2.1 Superfícies de fractura do Grupo A
Nas fracturas do grupo A (Fig._7) a maior parte da área das superfícies de
fractura era plana e foi possível observar as três etapas típicas das roturas
por fadiga: (1) zona de nucleação das fissuras junto da superfície, (2) zona de
propagação com marcas ondeadas e estrias características do processo de
propagação lenta e cíclica das fissuras e (3) zona de rotura final e
catastrófica da secção.
A generalidade dos arames apresentava cavidades ou picadas de corrosão
nomeadamente na zona de iniciação da fractura. As formas destas cavidades são
em meia-lua quase regular, ou irregular e ramificada. Observou-se também em
algumas superfícies, a propagação de fissuras em planos distintos, quase
paralelos entre si, e iniciadas em cavidades próximas umas das outras.
Observaram-se algumas superfícies de fractura completamente oxidadas pela
exposição ao ambiente marítimo após rotura do arame sem que tivesse ocorrido a
rotura do cabo e algumas estavam parcialmente esmagadas pelo contacto ocorrido
entre as duas superfícies após a rotura. Algumas das superfícies de fractura
englobaram picadas, que apesar de serem relativamente grandes, aparentemente
não originaram propagação de fissuração no plano de fractura. Alguns arames
apresentavam zonas da superfície de fractura que se localizavam em planos
inclinados a cerca de 45º em relação ao plano de propagação da fadiga e
aparentemente sem marcas de progressão da fadiga. Estas zonas correspondiam à
fase final de abertura da fractura por rotura rápida devido a tensões de corte
e a sua área correspondia uma percentagem reduzida da área total da secção
recta do arame.
3.2.2 Superfícies de fractura de Grupo B
As fracturas do grupo B (Fig._8) eram dúcteis e típicas das roturas rápidas.
Apresentavam estricção, ou redução da secção resistente, e superfícies de
fractura inclinadas a cerca de 45º devido à presença de esforços de corte.
Observaram-se picadas laterais em alguns dos arames com pequenas áreas planas
de propagação por fadiga associadas. Estas zonas de rotura por fadiga pré-
existentes foram posteriormente englobadas na rotura por corte, mas não foram a
causa principal da rotura do arame em causa. A maioria dos arames que romperam
no exterior da zona encastrada pertence à camada interior do cabo e
apresentavam superfícies de fracturas total ou parcialmente deste tipo, ou seja
dúcteis com deformação.
3.2.3 Superfícies de fractura localizadas no interior da zona encastrada
A maioria dos arames da camada exterior do cabo fracturou no interior do tubo
de aço inoxidável. Destas roturas, as que se localizaram mais no interior do
tubo, ou seja a maior profundidade, apresentavam superfícies de fractura quase
planas onde eram visíveis marcas nítidas de progressão lenta por fadiga (Fig.
9).
Fig._9 - Superfícies de fractura do lado do cabo encastrado no tubo.
Localização relativa das zonas de iniciação da fissuração nas superfícies de
fractura: a) rotura com propagação total por fadiga e com iniciação em picada
na zona de contacto com um arame vizinho; b) pormenor da fotografia a); c)
rotura quase total com propagação por fadiga com iniciação em picada na zona de
contacto com a parede interior do tubo de encastramento; d) rotura total com
propagação por fadiga com iniciação em duas picadas na zona de contacto com um
arame vizinho; e) rotura total com propagação por fadiga com iniciação em duas
picadas na zona de contacto com um arame vizinho.
Na generalidade observou-se uma única zona de iniciação da fadiga, ou, quando
muito, duas muito próximas. Estas zonas localizavam-se em pontos de contacto
com outros arames, ou com a superfície interior do tubo de encastramento.
3.2.4 Superfícies laterais cilíndricas dos arames
Na vizinhança da rotura, os vários arames apresentavam picadas (Fig._7, 8 e 10)
e fissuras secundárias na superfície exterior. As picadas e fissuras
localizavam-se preferencialmente em zonas com indícios de desgaste/esmagamento.
O número de picadas na superfície exterior dos arames era maior na zona junto
do tubo de encastramento (Fig.10) e começavam a rarear à medida que aumentava a
distância deste.
Fig. 10 - Superfície lateral de um dos arames com várias picadas e crateras
junto da extremidade do tubo de encastramento.
4. Discussão de Resultados
4.1 Características gerais das superfícies de fractura
Observaram-se oito arames com superfícies de fractura totalmente planas em que
a fractura se foi propagando de modo lento por fadiga até rotura final. A
fissuração iniciou-se na superfície exterior associada a cavidades ou picadas
de corrosão em locais de contacto com arames vizinhos, ou com a parede do tubo
de encastramento, e com indícios de desgaste/esmagamento e, posteriormente
propagou-se lentamente em resultado de esforços de flexão alternada até rotura
final.
Observaram-se outros cinco arames com superfícies de fractura parcialmente
planas em que, após um período de propagação lenta da fissuração pelo processo
atrás descrito, ocorre a rotura final do tipo dúctil, em alguns casos com
deformação, de modo quase instantâneo, devido a sobrecarga.
Os restantes seis arames apresentaram roturas rápidas quase instantâneas por
sobrecarga, do tipo dúctil com estricção e superfícies inclinadas a ≈ 45º,
devido aos esforços de corte.
4.2 Origem das fracturas e intensidade dos esforços
O exame efectuado sugere que a rotura do cabo terá sido iniciado na superfície
dos arames no interior da zona encastrada, através da conjugação dum processo
de corrosão intersticial e por picadas, e das tensões aplicadas.
Esta zona permite a retenção de água salgada e a acumulação de sal nos
interstícios entre arames e entre estes e o tubo. Em simultâneo, ao sol, dentro
deste reservatório metálico podem atingir-se facilmente temperaturas
superiores a 50 º C, que intensificarão os fenómenos descritos.
As cavidades ou picadas, actuam como entalhes concentradores de tensões que
induzem a iniciação de fissuras que se propagarão por fadiga, devido ao efeito
de esforços alternados existentes no cabo. Este processo poderá, por seu lado,
ser também assistido por corrosão e algumas destas cavidades apresentaram
evidência de, antes de iniciar a propagação por fadiga, terem crescido
inicialmente devido a um processo de corrosão.
De acordo com as marcas de progressão de fadiga observadas as tensões terão
sido predominantemente de flexão, embora algum encurvamento destas indicie a
presença de esforços de torção. A generalidade dos arames apresenta um único
local de início de fissuração o que, aliado às superfícies de fractura quase
planas, e neste caso perpendiculares ao plano de tensão máxima no arame,
indicia pouca sobrecarga. Por outro lado, a área total de secção recta da
rotura final por sobrecarga, que corresponderá a 6 arames com rotura total mais
a secção final dos arames parcialmente fissurados numa área equivalente a cerca
de um arame, portanto, um total de cerca de 7 em 19 arames, corresponde a cerca
de 37% da secção resistente total do cabo. Este dado aponta igualmente para um
sobredimensionamento do cabo, face aos esforços a suportar.
4.3 Configuração do conjunto
A generalidade dos cabos de aço é projectada para resistir a esforços de
tracção, não apresentando normalmente boa resistência a esforços de corte,
flexão, ou torção. Nomeadamente o tipo de cablagem clássico utilizado,
constituído por fios do mesmo diâmetro, é normalmente referido como não
apresentando boa flexibilidade, sendo portanto pouco resistente a esforços do
tipo flexão e torção. Aparentemente não seriam previstos esforços de flexão
apreciáveis neste tipo de montagem, mas estes podem advir, por exemplo de
pequenos desapertos.
O modo de encastramento do cabo, a sua geometria e posicionamento facilitam os
fenómenos de corrosão intersticial observados. Esta concepção estrutural não
previu a entrada de água do mar, a sua retenção e concentração de sais. Todas
estas condições favorecem os fenómenos electroquímicos responsáveis pela
corrosão.
As análises químicas qualitativas realizadas no microscópio electrónico de
varrimento por espectroscopia de dispersão de energias (SEM/EDS) não
evidenciaram de forma clara a presença de teores apreciáveis de molibdénio na
composição do aço, elemento que poderia aumentar a resistência ao tipo de
corrosão observado. Para energias de 30 kV, apenas foi possível visualizar um
pico alargado (Fig. 11) na gama dos 2,3 a 2,5 keV. Nesta gama há interferência
entre as riscas K referentes ao enxofre (2,31 e 2,46 keV) e as riscas L do
molibdénio (2,02, 2,29, 2,39, 2,52, 2,62, e 2,83 keV) e não foram detectados
vestígios dos picos referentes às riscas K do molibdénio na gama de 17,5 keV.
Atendendo à elevada energia do feixe de electrões utilizado no SEM, a que, nos
aços, o enxofre está sob a forma de inclusões não metálicas de sulfureto e que
na área analisada não foram observadas muitas inclusões, o pico observado
deverá resultar da presença de algum molibdénio em teor não muito elevado.
Fig. 11 - Espectro (SEM/EDS) obtido por análise em área sobre uma superfície
polida e não contrastada de uma amostra de um dos arames.
5 CONCLUSÕES
Face aos resultados dos exames realizados conclui-se:
1 - A rotura do cabo que constituía a peia ocorreu basicamente em dois
estágios:
· Fissuração lenta de treze arames até rotura total de oito
deles e parcial de cinco, por um processo de fadiga assistida por
corrosão, com origem em esforços de flexão.
· Finalização da rotura dos cinco arames já parcialmente
fissurados por fadiga e rotura total dos restantes seis, por um
processo relativamente rápido de rotura dúctil com deformação
plástica devido à sobrecarga a que passaram a ficar sujeitos.
2 - A rotura por fadiga foi desencadeada pela propagação de fissuras nucleadas
no interior de cavidades ou picadas devidas a corrosão intersticial localizada.
3 - Deverá ter ocorrido um lapso de tempo significativo entre o início da
fissuração e a rotura dos primeiros arames, localizados preferencialmente na
camada exterior do cabo, e a rotura final catastrófica do mesmo.
4 - O tipo de solução construtiva utilizado neste componente só por si, ao
permitir a armazenagem da água do mar e a concentração de sais, é facilitador
da ocorrência de corrosão intersticial localizada e o consequente
desencadeamento da rotura por fadiga assistida por corrosão. O tipo de aço
utilizado no fabrico da peia poderá não ser o mais adequado para resistir à
corrosão intersticial em presença do anião cloreto, pelo que estes aspectos
deverão ser considerados numa futura revisão do projecto.
5 - Atendendo a que o início da rotura deverá ter ocorrido no interior da zona
encastrada, dificilmente seria detectada por eventuais inspecções não
destrutivas ao cabo. No entanto, o aparecimento de vestígios de corrosão nesta
zona deveria ter levantado a suspeita da existência de uma anomalia.
