Anéis de vedação de carboneto são geralmente feitos de carboneto WC-Ni, que, devido à sua alta dureza, resistência à flexão, excelente resistência ao desgaste, tenacidade e rigidez, não emite radiação sob irradiação de nêutrons. Como resultado, pode ser empregado para vedação mecânica em condições que envolvem alta temperatura, alta pressão, altas velocidades de rotação, meios corrosivos, meios carregados de partículas sólidas e ambientes radioativos. O carboneto WC-Ni tem ampla aplicação em áreas como vedações de eixos em sistemas de transmissão de veículos, transmissões de troca de marchas, bombas especializadas para condições exigentes, vedações rotativas de aeronaves, indústrias petroquímicas e vedação de energia nuclear.

Constatamos que, após aproximadamente 80 horas de operação, havia inúmeras rachaduras na superfície dos anéis de vedação. O uso contínuo pode levar à falha da vedação e resultar em perdas econômicas significativas. Portanto, é necessário realizar uma análise de danos e uma avaliação de segurança para solucionar esse problema.

 

Materiais e métodos de teste

Materiais de teste

Os corpos de prova foram retirados do anel de vedação de carboneto de WC-Ni, designado YWN8. O diâmetro interno do anel de vedação é de 277 mm, o diâmetro externo é de 302 mm e a espessura é de 20 mm, conforme mostrado na Figura 1. O material primário do anel de vedação é o carboneto de WC-Ni, com uma fração mássica de WC de 89% e uma fração mássica de Ni de 11%. As propriedades mecânicas do carboneto de WC-Ni são apresentadas na Tabela 1.

Método de teste

A Figura 1(a) representa uma vista sólida do anel de vedação danificado, que apresenta 9 conjuntos de estruturas de barreiras/retentores de sulcos. Conforme indicado pelas etiquetas de 1 a 9 na Figura 1(b), o teste é organizado com base na distribuição das áreas de barreiras de sulcos no anel de vedação, dividindo-as em 9 grupos. Além disso, esses 9 grupos são subdivididos em 18 regiões menores. Após observação ampliada com microscópio, observou-se que 6 dessas regiões apresentavam trincas superficiais: 2-2, 3-2, 4-2, 5-2, 6-2 e 7-2, enquanto as demais regiões não apresentavam trincas em suas superfícies.

For analysis, the test selected the areas of the damaged sealing ring where cracks appeared on the sealing surface. Subsequent steps involved surface residual stress testing, microscopic analysis of the damaged sealing ring’s microstructure, and identifying the reasons behind the appearance of cracks on the sealing ring’s surface.

 

Resultados e Análise

Análise Microscópica da Área Danificada

Com base em observações microscópicas, a região danificada 6-2 apresentou o maior número de trincas. Conforme mostrado na Figura 2, a morfologia SEM da amostra da região danificada 6-2 revela um total de 5 trincas na zona danificada. As origens dessas trincas estão na junção entre a vertedouro da ranhura e a barricada do anel de vedação. Cada trinca apresenta uma tendência de expansão ao longo de seu comprimento.

Análise usando interferômetro de luz branca

Based on the SEM analysis mentioned above, it was found that although the crack volume was significant, the cracking depth was relatively shallow. To further investigate the damage characteristics during the sealing ring’s service, white light interferometry (Bruker Contour GT 3D white light interferometer) testing and analysis were performed on the damaged area of the sealing ring.

As Figuras 3 e 4 ilustram, respectivamente, a morfologia tridimensional no local da maior fissura e o perfil bidimensional do ponto mais profundo da fissura na região danificada 6-2. Os resultados revelam que a rugosidade da área da barragem com sulco é de aproximadamente 0,672 μm, a rugosidade da área da barricada é de cerca de 0,294 μm e a diferença de altura entre a área da barragem com sulco e a área da barricada é de aproximadamente 2,43 μm. A largura máxima da fissura é de cerca de 126,4 μm, com um comprimento máximo de cerca de 2,75 mm. Durante os testes, a profundidade máxima da fissura foi de cerca de 58,84 μm, enquanto as profundidades das demais regiões de fissura foram relativamente menores.

Análise da composição química da área danificada

Análise de Espectroscopia de Raios X por Dispersão de Energia (EDS)

Com base na análise microscópica da morfologia das fissuras mencionadas, utilizou-se a espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS) para analisar a composição química dos pontos A, B e C (correspondentes à matriz da amostra, à área da fissura e à faixa limite entre a barragem e a barricada), conforme indicado na Figura 2. Isso foi feito para determinar se houve alguma alteração na composição do material. Os resultados são mostrados nas Figuras 5 a 7.

It can be observed that the specimen matrix primarily contains C, O, Ni, and W. In the crack area, in addition to the aforementioned four main elements, there are also impurity elements such as Cu, Fe, and Ti. This suggests that element transitions occurred in the sealing ring’s mating parts during service, resulting in impurity elements on its surface. The oxygen content in the crack area is significantly higher than that in the matrix, indicating the presence of oxides within the crack area and the occurrence of oxidative wear. Similarly, at the boundary strip between the groove weir and the barricade, in addition to the four main matrix elements, there are trace amounts of impurity elements such as Ti, Fe, and Zr. The damage situation here is similar to the crack area, with the presence of oxidative wear phenomena.

Análise de Microanálise de Sonda Eletrônica (EPMA)

Para investigar mais a fundo a extensão dos danos ao anel de vedação e as características da área trincada, bem como analisar a distribuição da composição química na área danificada do anel de vedação, utilizou-se microanálise por sonda eletrônica (EPMA) para realizar a análise da superfície da área trincada dentro da caixa mostrada na Figura 8. Com base nos resultados da análise EDS mencionados acima, foi estabelecido que o desgaste oxidativo ocorreu durante o serviço do anel de vedação. Portanto, quatro elementos — C, W, Ni e O — foram selecionados para a análise da superfície do corpo de prova por EPMA.

A Figura 9 apresenta os resultados da análise de superfície EPMA da amostra. Observa-se que, dentro da área trincada, há uma distribuição relativamente maior de C e O em comparação com a matriz, enquanto a distribuição de W na área trincada é relativamente menor em comparação com a matriz. Por outro lado, a distribuição de Ni na área trincada não apresenta diferenças significativas em comparação com a matriz. Pode-se inferir que há um nível moderado de oxidação na área trincada, sendo o principal produto de oxidação o óxido de W.

Análise de tensão residual de superfície

Para investigar a distribuição de tensões superficiais do anel de vedação após o serviço, um testador de tensão residual portátil por raios X foi utilizado para realizar testes de tensão residual em toda a face final de um anel de vedação C# não utilizado e de um anel de vedação D# (com trincas na superfície) que estavam em serviço por 80 horas. As posições de teste e seus resultados são mostrados na Figura 10. Pode-se observar que tensões residuais superficiais distribuídas de forma desigual podem levar à formação de trincas no anel de vedação. Durante o serviço, a tensão residual é liberada devido ao atrito, resultando na formação de trincas e na falha do anel de vedação.

Conforme mostrado na Figura 11, a tensão residual diminui gradualmente ao longo da direção radial do anel de vedação, do anel externo para o anel interno, passando diretamente para a tensão de compressão na área da barricada. O valor da tensão na extremidade da área da barragem com sulco é maior do que no início (sentido anti-horário ao longo do anel de vedação). As trincas observadas estão todas localizadas na extremidade da área da barragem com sulco, indicando que a diferença de tensão entre o início e o fim dessa área é relativamente baixa em comparação com a diferença de tensão entre as extremidades do arco. Essa diferença de tensão é insuficiente para causar danos ao anel de vedação.

 

 

 

 

Conclusão

(1) A maioria das fontes de trincas está localizada na junção entre a barra de contenção e a barricada do anel de vedação. A maioria das trincas se distribui na área da barricada, onde a extensão do dano é maior em comparação com a área da barra de contenção.

(2) Ocorreu desgaste oxidativo na área danificada do anel de vedação durante o serviço, resultando principalmente em produtos de óxido de tungstênio (W). A oxidação é relativamente leve.

(3) Devido a uma diferença de tensão significativa entre a ranhura da barragem e as áreas de barricada do anel de vedação, é provável que ocorram danos ao material durante o serviço, levando ao início de fissuras microscópicas.

(4) As rachaduras são relativamente superficiais e os danos ao anel de vedação são mínimos. Isso não terá impacto imediato na segurança operacional a curto prazo.