Os limites de resistência à fadiga são determinados em ensaios de laboratório, nos quais a vida útil dos condutores, em números de ciclos, é determinada em função da intensidade de vibração.
5.2.1 - Condições laboratoriais
Diferentes meios foram desenvolvidos para reproduzir o movimento do condutor [CARDOU et al., 1994], [CARDOU et al., 1992], cada um com vantagens específicas. No entanto a experiência mostra que, para uma melhor simulação da influência do projeto do grampo na fadiga do cabo condutor tem-se dado preferência aos testes no qual o grampo de suspensão é fixo e vibra-se o cabo, no plano vertical, em uma freqüência próxima a de ressonância do sistema.
Se o grampo estiver preso em uma posição fixa, o procedimento de teste fica mais simples, e evitam-se as dificuldades associadas à resposta dinâmica de um grampo oscilante e o movimento complexo decorrente, que ainda não foi adequadamente interpretado [CARDOU et al., 1994].
A distância entre o grampo de suspensão e o ponto de excitação da amostra em teste deve ser no mínimo de 5m, para garantir uma boa distribuição da tensão no fio do condutor junto ao grampo de suspensão que é mantido fixo em uma posição para reproduzir o ângulo de saída do condutor (tipicamente 10 graus para grampos de suspensão e 0 graus para grampos espaçadores). A distância mínima entre o cabo/grampo em teste e a extremidade ancorada do cabo (vão passivo) deve ser no mínimo de 2 metros. Esse vão do condutor não vibra [CIGRE, 2006].
Na outra extremidade da bancada de teste, um dispositivo que tenciona o cabo garante uma carga constante (dentro de 2,5%) durante os testes. A carga pode ser aplicada de diversas maneiras, como por exemplo, braço de alavanca com contra peso, pistão hidráulico, ou pneumático. É aconselhável introduzir uma célula de carga para que seja possível monitorar constantemente a tensão aplicada, ou para verificar seu valor periodicamente. De acordo com os resultados relatados em EPRI (1979), o nível da tensão no condutor afeta as relações S-N, considerando o condutor e seu grampo de suporte. No entanto, essa questão nunca foi realmente resolvida, e a maioria dos testes são conduzidos em uma tensão que é representativa das condições de linha predominantes, como recomendado em [CIGRE, 1985]. Foi feita uma tentativa de incluir a tensão do condutor como parâmetro de fadiga do condutor [CARDOU et al., 1994]. Os resultados não foram conclusivos e, portanto, não são suficientes para apoiar um ou outro ponto de vista. No entanto, um melhor conhecimento do fenômeno de abrasão e das condições de contato que favorecem o início de micro-ligações e fissuras justifica a necessidade de controle adequado de uma tensão constante durante os testes. A carga de tração sobre o condutor contribui amplamente na pressão de contato dos fios entre as camadas, e é na verdade, a única força atuante, fora do grampo, por sua ação que resulta em um aperto das camadas de fios uma sobre as outras.
±
Um excitador eletromecânico é uma boa escolha como dispositivo para excitar o condutor em teste, devido às suas numerosas características que se adaptam bem a esses testes, que podem durar meses. A maioria dos testes são realizados em amplitude e freqüência
constantes. Uma freqüência na faixa de 10 a 50 Hz é a que melhor se adapta às experiências de campo, e assim, à reprodução das verdadeiras condições de campo. Porém, ela é opcional. O conhecimento atual do fenômeno de abrasão ensina a evitar o limite superior, que alteraria significativamente as condições de micro fissuras e sua propagação, levando a falhas dos fios. As freqüências normalmente escolhidas, dentro desse faixa, são as que correspondem a um modo ressonante do sistema condutor rígido. É mais simples se atingir a excitação necessária no condutor, especialmente para testes de longa duração, adotando-se uma amplitude constante no ponto a 89 mm do primeiro ponto de contato entre o cabo em teste e o grampo de suspensão (Figura 4.4).
5.2.2 - Parâmetros de teste
Nesses testes, a vida à fadiga do condutor deve ser determinada como função de uma medida de intensidade de vibração. As tensões ou combinações de tensão que caracterizam as condições que favorecem as falhas dos fios não são facilmente acessíveis para medição direta. Dentre as metodologias utilizadas para se detectar experimentalmente a tensão na “boca” do grampo a amplitude de dobra ou de flexão Yb (amplitude de movimento do
condutor com relação ao grampo, a 89 mm do primeiro ponto de contato do condutor/grampo) é o parâmetro mais amplamente usado para medição de vibração em campo (ver Figura 4.4), e recomenda-se usá-la também em testes em laboratório, para evitar a obrigação de introduzir a conversão desta amplitude de flexão para algum outro parâmetro. Essa conversão depende muito da escolha apropriada da rigidez a flexão do condutor real. Em muitos casos é aconselhável medir também outros parâmetros, tais como, o [3] ou o esforço dinâmico [CIGRE, 1985], para facilitar a correlação dos resultados com outros testes e para permitir seu uso no estabelecimento do limite de resistência para uma faixa de diâmetros de condutores. Na verdade, os resultados de testes com um determinado condutor não necessariamente se aplicam a outros. Além disso, resultados recentes [CIGRE, 2006] sugerem que o diâmetro dos fios, poderia também ter alguma influência na determinação da vida à fadiga, isto é, dois condutores com diâmetros semelhantes, mas geometrias diferentes, duas camadas de fios com diâmetros maiores, em comparação a três camadas de fios com diâmetros menores poderiam ter limites de resistência diferentes.
max y
A pressuposição de que existe um esforço ou tensão ideal que pode ser calculada a partir da amplitude de vibração, e que se correlacione de maneira aceitável à vida à fadiga do condutor forneceu ao engenheiro uma ferramenta útil para superar a complexidade do problema e encontrar resultados que são suficientemente confiáveis para serem aplicados de maneira útil [CIGRE, 2006].
O CIGRE (1985) sugere, e é mundialmente aceito que três fios ou 10% dos fios de alumínio rompidos, prevalecendo o menor valor, devam ser usados como critério de danos para se estabelecer a relação entre a amplitude de tensão e o número de ciclos. A detecção de falhas através de inspeção visual periódica da superfície externa do condutor tem se mostrado ineficaz na medida em que já esta bem estabelecido que ocorrem falhas regularmente nos fios das camadas internas. Portanto essa prática deve ser abandonada. O uso de um detector de falhas em fios resolve a questão. O método simples citado em [EPRI, 1979] tem sido amplamente usado e consiste em uma pequena barra fixa ao condutor, a qual amplifica seu relaxamento de torção quando ocorre uma falha em algum dos fios. O movimento giratório da barra é detectado por qualquer sensor adequado (LVDT, sensor de proximidade, sensor a laser, sensor ótico), e resulta em um sinal em etapas, que deve ser correlacionado a N (número de ciclos aplicados). Testes conduzidos até que ocorram três falhas dos fios tem resultado em muito mais informações úteis considerando a grande dispersão (ou difusão) dos resultados de testes de fadiga [CIGRE, 2006].
Para se obter as curvas de resistência à fadiga (denominadas curvas S-N ou curvas de Wöhler), os testes devem ser conduzidos com diferentes valores de parâmetros de vibração. Essas curvas também fornecem o valor para um limite de resistência a fadiga, e por conseqüência amplitude de flexão que uma determinada combinação grampo-condutor vai suportar quase indefinidamente. Os limites de resistência são avaliados, como é atualmente aceita para o alumínio, em ciclos. É aconselhável testar no mínimo três amostras por nível de amplitude de vibração.
8
10 5x
5.2.3 - Análise de resultados
Depois que um teste é concluído, o condutor deve ser submetido a um processo de dissecação que permitirá correlacionar a falha em cada fio com o número de ciclos em que
ocorreu e a sua posição em relação à “boca” do grampo. Com esta informação pode-se produzir um mapa das falhas no plano transversal, bem como no plano longitudinal (a posição da falha em relação ao suporte do grampo) do cabo em teste. Essas informações são preciosas para melhorar a compreensão do complexo mecanismo responsável pela fadiga do condutor. Em várias ocasiões, laboratórios que, conduziram esses testes estenderam suas analises com um exame mais detalhado da área de contato dos fios entre camadas, onde ocorreu a abrasão [CIGRE, 2006]. Isto é especialmente útil quando os testes são realizados para comparar ou melhorar o projeto dos grampos e avaliar o uso de materiais de revestimentos.
A forma mais comum de apresentação dos resultados de testes de fadiga de condutores é a curva logarítmica de resistência à fadiga mencionada anteriormente como curva S-N ou curva de Wöhler. É possível sobrepô-la aos mesmos pontos de gráfico que indicam a primeira, segunda e terceira falha dos fios, em uma serie de testes. Ela demonstra então a grande dispersão dos resultados e determinadas “anomalias” quando, por exemplo, uma primeira falha precoce ocorre, a qual não será, porém, seguida de uma segunda de imediato, nos 5x108 ciclos de duração máxima do teste.
Para auxiliar na interpretação dos dados disponíveis sobre resistência à fadiga de uma determinada montagem condutor/grampo, foi apresentada uma analise estatística por [HARDY e LEBLOND, 2001] que levou à determinação de varias curvas S-N em uma base probabilística estável. A referida análise confirmou que a dispersão de dados foi tão grande que exclui a precisão na predição da vida à fadiga do condutor.