Teste de pressão estática e pressão ciclada: o que cada ensaio avalia?

Um componente pode suportar determinada pressão sem apresentar vazamento, deformação permanente ou ruptura e, ainda assim, desenvolver uma falha depois de ser submetido repetidamente a pressurização e despressurização.

Essa diferença está no princípio de dois ensaios comuns no desenvolvimento e validação de componentes sujeitos à pressão: o teste de pressão estática e o teste de pressão ciclada.

Embora ambos utilizem pressão como variável de solicitação, eles investigam comportamentos distintos. Definir qual ensaio utilizar e como configurar seus parâmetros depende do fenômeno que a engenharia pretende avaliar.

O que é um teste de pressão estática?

No ensaio de pressão estática, o componente é submetido a um determinado nível de pressão, mantido conforme as condições e o período estabelecidos no procedimento de teste.

Dependendo da aplicação e do objetivo, esse tipo de ensaio pode ser utilizado para avaliar aspectos como resistência estrutural, deformação, estanqueidade e capacidade de suportar determinada condição de pressão.

Um componente pode, por exemplo, ser pressurizado até um valor especificado e permanecer nessa condição enquanto são monitorados vazamentos, deformações ou outros parâmetros relevantes.

Também existem ensaios voltados à determinação da pressão em que ocorre ruptura. Nesse caso, o procedimento e os requisitos de segurança precisam ser especificamente desenvolvidos para essa finalidade.

A informação obtida está relacionada ao comportamento do produto diante daquela condição de carregamento.

Mas muitos componentes industriais não trabalham dessa maneira durante sua vida útil.

Quando a pressão varia repetidamente, surge outro problema de engenharia

Radiadores, intercoolers, válvulas, mangueiras, conexões e diversos componentes de sistemas hidráulicos, pneumáticos ou térmicos podem experimentar sucessivas variações de pressão durante a operação.

Cada ciclo produz uma nova solicitação mecânica. Mesmo que a pressão máxima permaneça abaixo daquela que provocaria uma falha imediata, a repetição do carregamento pode contribuir para mecanismos de degradação associados à fadiga.

É nesse contexto que entra a bancada de pressão ciclada.

O que uma bancada de pressão ciclada avalia?

Em um ensaio de pressão ciclada, o corpo de prova é submetido repetidamente a um perfil definido de pressurização e despressurização.

Esse perfil pode envolver diferentes parâmetros, entre eles:

• Pressão mínima e máxima;
• Amplitude da variação;
• Frequência dos ciclos;
• Velocidade ou rampa de pressurização e despressurização;
• Tempo de permanência em determinados níveis;
• Número total de ciclos;
• Temperatura do fluido ou do componente, quando relevante;
• Critérios de interrupção e identificação de falha.

Portanto, dizer apenas que determinado produto foi submetido a “500 mil ciclos” fornece pouca informação técnica sobre a severidade do ensaio.

Quinhentos mil ciclos entre 1 e 2 bar representam uma condição completamente diferente de 500 mil ciclos entre 1 e 10 bar. Frequência, rampas, temperatura e demais condições também interferem na solicitação imposta.

Pressão máxima igual não torna dois ensaios equivalentes

Esse é um ponto importante na especificação de uma máquina de pressão ciclada.

Imagine dois testes que atingem exatamente a mesma pressão máxima. No primeiro, o componente varia entre uma pressão mínima relativamente elevada e o valor máximo. No segundo, a variação ocorre a partir de uma pressão muito menor. Embora o pico seja igual, a amplitude do ciclo é diferente.

Da mesma forma, alcançar determinada pressão lentamente e mantê-la por alguns segundos produz uma condição distinta de aplicar variações rápidas e sucessivas.

Por isso, a especificação de uma bancada não deveria partir apenas de perguntas como “qual é a pressão máxima necessária?” e “quantos ciclos serão executados?”. É necessário compreender o perfil completo de solicitação.

E onde entra a fadiga?

Quando um componente é submetido a carregamentos repetidos, regiões críticas podem acumular dano ao longo dos ciclos.

Geometria, materiais, soldas, uniões, mudanças de seção e outros pontos de concentração de tensões podem influenciar onde uma falha começa e como ela evolui.

Em uma bancada de pressão ciclada, a pressão interna é utilizada para produzir repetidamente essas solicitações no componente.

O resultado pode ajudar a engenharia a investigar durabilidade, comparar soluções construtivas, validar alterações de projeto ou verificar o comportamento do produto sob um protocolo definido.

Um ponto fundamental é observar também como o componente falhou.

Se o modo de falha produzido pela bancada é muito diferente daquele observado ou esperado na aplicação, pode ser necessário revisar as condições do ensaio antes de concluir que o teste representa adequadamente o uso real.

Pressão ciclada não é simplesmente um teste estático repetido milhares de vezes

Uma máquina de pressão ciclada precisa ser capaz de controlar e reproduzir o perfil definido com consistência.

O sistema de pressurização, instrumentação, sensores, aquisição de dados e lógica de controle precisam ser dimensionados conforme as características do teste.

A frequência é um bom exemplo. Aumentá-la pode reduzir significativamente o tempo necessário para executar centenas de milhares de ciclos. Porém, dependendo do sistema e do componente, uma frequência mais elevada também pode alterar efeitos dinâmicos, térmicos ou a própria resposta do corpo de prova.

Acelerar o ensaio exige avaliar se o mecanismo investigado continua representativo.

Então, qual ensaio escolher?

A resposta depende da pergunta de engenharia.

Se o objetivo é verificar como o componente responde a uma determinada condição de pressão, um ensaio estático pode fornecer a informação necessária.

Se o interesse está em avaliar o comportamento diante de solicitações repetidas ao longo do tempo, a pressão ciclada permite investigar outro aspecto do desempenho e da durabilidade.

Em alguns programas de validação, os dois ensaios podem ser complementares, cada um respondendo a um requisito específico.

O ponto de partida deve ser sempre compreender qual condição o produto encontrará na aplicação, qual mecanismo precisa ser investigado e quais variáveis precisam ser controladas para reproduzi-lo de forma consistente.

Bancadas de pressão ciclada precisam ser projetadas a partir do ensaio

Pressão máxima, frequência e quantidade de ciclos são requisitos importantes, mas não suficientes para definir uma bancada.

Características do componente, volume interno, fluido utilizado, temperatura, perfil de pressão, instrumentação, número de corpos de prova, critérios de falha, aquisição de dados e requisitos de segurança também podem alterar significativamente o projeto do equipamento.

É por isso que uma bancada de pressão ciclada desenvolvida para uma aplicação específica começa pela compreensão do ensaio que precisa ser executado.

Na Labtrix, desenvolvemos bancadas e máquinas de testes customizadas para reproduzir condições de ensaio conforme as necessidades de desenvolvimento, validação e controle da indústria.