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Integridad para el Servicio y API 579
Presentado por:
Luis Sanjuan
04/03/2014 1
Primero consideremos la incapacidad de servicio
Aquí se muestran algunos problemas – primero consideremos corrosión
En general esto es la corrosión del acero
Las áreas rojas son Hematita
Los puntos negros son Magnetita
La Hematita es escamosa y porosa. Siendo la Hematita el principal problema
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Primero consideremos la Incapacidad de servicio
Primero consideremos la Incapacidad de servicio
Primero consideremos la Incapacidad de servicio
Éste es un ejemplo típico
Los puntos blancos son el revestimiento que ha sido removido
04/03/2014 3
Primero consideremos la Incapacidad de servicio
Primero consideremos la Incapacidad de servicio
Esto es corrosión galvánica del aluminio y acero bajo agua marina
Nótese la presencia de Hematita roja en el acero
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Los diversos mecanismos de Corrosión
Corrosión General Ocurre sobre grandes superficies Generalmente en forma de Hematita
Corrosión por Hendidura Cuando las grietas dan acceso limitado a un fluido confinado Cuando las piezas se montan juntas, pero no se soldán
Corrosión Microbial Causada por microorganismos A menudo por la producción de Sulfuro de Hidrógeno Dando lugar a corrosión acelerada
Corrosión en Altas temperaturas Causa deterioro químico Causa productos que migran hacia los límites de veta
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Primero consideremos la Incapacidad de servicio
Considere por un momento la química de la corrosión
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Llenémoslos como sigue: 1 agua del grifo, 2 agua hervida con una película de aceite como sello para mantenerla hermética, 3 desecante
Tomemos 3 tubos de ensayo y pongamos en cada uno un clavo
1 2 3
Los clavos en 2 y 3 son los únicos que no se oxidan
La corrosión requiere de Oxígeno y Agua para producir oxido
Aquí tenemos una pieza de acero inmersa en agua
Primero consideremos la Incapacidad de servicio
Considere por un momento la química de la corrosión
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Aquí tenemos una pieza de acero inmersa en agua
Y los iones OH- se distribuyen en el agua
O2 + 2H2O + 4e-4HO
-(OH- es un ión hidróxilo)
Por la oxidación, el acero pierde 2 electrones
Fe Fe2+ (Iron ion) + 2e-
En algún lugar dentro del metal, se forma un Ánodo con los iones de Acero
Fe2+
ánodo
Bajo presencia de O2, se forman iones hidróxilo
OH-
OH-OH- OH-OH-
Los iones negativos de OH- se combinan con los positivos Fe2+, para formar Hidróxido de Hierro
Primero consideremos la Incapacidad de servicio
Considere por un momento la química de la corrosión
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Los iones negativos de OH- se combinan con los positivos Fe2+, para formar Hidróxido de Hierro
Fe2+
ánodocátodo
OH-
OH-OH- OH-OH-
Fe2+ + 2OH- Fe(OH)2
El Hidróxido de Hierro se deposita en otro sitio de la placa
Fe(OH)2
Formando un Cátodo
Primero consideremos la Incapacidad de servicio
Considere por un momento la química de la corrosión
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Los iones negativos de OH- se combinan con los positivos Fe2+, para formar Hidróxido de Hierro
Fe2+
ánodocátodo
Fe2+ + 2OH- Fe(OH)2
El Hidróxido de Hierro se deposita en otro sitio de la placa
Fe(OH)2
Formando un Cátodo
Los electrones perdidos por el hierro ahora migran a través del metal
e-
En presencia de O2 el Hidróxido de Hierro se Oxida
4Fe(OH)2 + O2 Fe2O3.H2O + 2H2O Óxido de Hierro – Óxido rojo
Este óxido se conoce como Hematita
OH-
Primero consideremos la Incapacidad de servicio
Ahora pasemos al API 579
¿Qué hacer cuando un recipiente se desgasta?
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Ahora pasemos al API 579
Después de algún tiempo de servicio, un recipiente puede sufrir daño
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Corrosión General Corrosión por picaduras Ranuras y excavamientos Grietas superficiales Susceptibilidad a fractura por fragilidad Desalineamiento de las soldaduras Abolladuras Daño por fuego
En esta presentación vamos a considerar sólo algunos de los efectos del uso y desgaste
Consideremos un cilindro nuevo
Veamos los requerimientos de ASME VIII, División 1
P = 1,5 MPa Presión de diseñoD = 1500 mm Diámetro interiorc = 3 mm Corrosión permitidaS = 138 Mpa Presión máxima (diseño) permitidaE = 0,85 Eficiencia de las Juntas
De acuerdo al código el espesor requerido es – por PV Elite:
Si el espesor está por debajo de 12,7038 mm es una violación de códigoPero, como es para construir uno Nuevo – por tanto se selecciona una placa de 14 mm.
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Ahora consideremos el mismo cilindro después de varios años de operación
Algunos puntos de corrosión se detectan, como éste:
En algunos puntos el espesor se reduce a 11 mm (de 14 mm )
De acuerdo al cálculo original (nuevo):
El espesor requerido corroído fue de 12,7038 –3 = 9,7038 mm El espesor de placa escogido fue de 14 mm El espesor corroído aun es suficiente 11 mm Corrosión permitida se reduce a 11– 9.7038 = 1,296 mm Pero: Aún necesitamos una corrosión permitida de 1,5 mm para futuro servicio!
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Ahora consideremos el mismo cilindro después de varios años de operación
Necesitamos 1,5 mm de tolerancia a la corrosión para la vida útil restante
El espesor requerido corroído fue de 12,7038 –3 = 9,7038 mm El espesor de placa escogido fue de 14 mm El espesor corroído aun es suficiente 11 mm Corrosión permitida se reduce a 11– 9.7038 = 1,296 mm Pero: Aun necesitamos una corrosión permitida de 1,5 mm para futuro servicio!
El metal restante disponible para corrosión sólo es 1,296 mm
De acuerdo al código original, incurriríamos en una violación !
Recuerda: El código sólo es para construcción nueva
Evidentemente necesitamos ayuda técnica adicional
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API 579 es la ayuda que necesitamos
Éstas son Condiciones Óptimas de Servicio y modifican los requerimientos del código
Nos permite usar placa más delgada, pero se deben conocer ciertos criterios de aplicación
Nos brinda un procedimiento de evaluación de los daños por corrosión
Estos son los pasos que deben seguirse inicialmente:
Primero, debe ponerse una rejilla sobre el área corroída En las juntas, los espesores deben ser inspeccionados Un análisis debe llevarse a cabo para futuro servicio
Por tanto, debemos considerar las futuras posibilidades:
Podrá el recipiente volver a operación? Debe reducirse la presión de operación? Debe reducirse la vida útil? Debe llevarse a cabo una reparación? Debe ser desechado el recipiente?
API 579 puede responder estas preguntas
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API 579 – Nivel 1 Valoración
El primer paso: Inspección del área corroída para el espesor en los nodos
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
1 Superposición del área corroída con una rejilla
2 Marcar las líneas circunferenciales y longitudinales en la rejilla
3 Medir el espesor en los puntos de unión
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Siguiente: Hacer una tabla de la medición de espesores
0.48
0.75
0.55
0.36
0.48
049
0.75
0.360.75 0.48 0.47 0.55 0.48 0.49 0.75
1 Encuentre el espesor más pequeño en la dirección circunferencial
2 Encuentre el espesor más pequeño en la dirección longitudinal
3 Complete la inspección con el espesor mínimo en cada dirección
API 579 – Nivel 1 Valoración
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Siguiente: Encuentre el valor absoluto mas pequeño para el espesor tmm
0.48
0.75
0.55
0.36
0.48
049
0.75
0.360.75 0.48 0.47 0.55 0.48 0.49 0.75
Aquí se muestra el Critical Thickness Profile (CTP) en la dirección longitudinal
Podemos graficar el CTP para encontrar el espesor promedio
API 579 – Nivel 1 Valoración
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Aquí se muestra la gráfica del CTP (Perfil crítico de espesor)
0.470.55
0.36
0.48 0.49tmm
1,5” 1,5” 1,5” 1,5”
Ésta es la distancia de rejilla.
Ahora, necesitamos la Longitud Crítica LQ = 0,4581 (de la Tabla 4.5)
Espesor que se utilizará para la evaluación tc
tc = Espesor Original – Corrosión permitida = 0,75-0,1 = 0,65 in
L
L = Q(D.tc)1/2 = 0,4581.(48,2.0.65) =2,564 in (D corroído)
2,564 in
API 579 – Nivel 1 Valoración
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Necesitamos los espesores t1 y t2
0.470.55
0.36
0.48 0.49tmm
1,5” 1,5” 1,5” 1,5”
L
2,564 in
API 579 – Nivel 1 Valoración
t1 t2
De la geometría t1 = 0,522 in y t2 = 0,463 in
Encuentra el espesor promedio tam
tam = área sombreada dividida entre L tam = 0,426 in
tcmin del código = = = 0,430 inP.R
S.E-0,6.P
300.24,1
20000.0,85-0,6.300
tam Corroído = tam - FCA = 0,426 – 0,1 = 0,326 in
(FCA = corrosión futura permitida)
Conclusión: Falla la evaluación Nivel 1 - Intentemos el Nivel 2
FCA
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tam
API 579 – Nivel 2 Valoración
tam Corroído = tam - FCA = 0,426 – 0,1 = 0,326 in
Ya hemos calculado el espesor medio corroído:
Necesitamos el factor de Resistencia Permisible RSFa
El espesor requerido calculado (fórmula del código) tcmin = 0,430 in
Normalmente esto se toma como : RSFa = 0,9
Ahora: RFSa x tcmin = 0,9 x 0,430 = 0,387 in
El espesor restante: Falla Valoración Nivel 2
Podemos disminuir la MAWP del componente
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API 579 –MAWP Reducida
tam Corroído = tam - FCA = 0,426 – 0,1 = 0,326 in
Ya hemos calculado el espesor medio corroído:
MAWP = = = 228,1 psi t.S.E
R+0,6.t
0,326.20000.0,85
24,1+0,6.0,326
Por tanto la MAWP tiene que reducirse de 300 psi a 228,1 psi
Este método usa la red normal, pero podemos tener puntos aleatorios
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API 579 – Considere Puntos Aleatorios
Primero, hagamos una tabla de espesores en puntos aleatorios
Siguiente, calculemos el espesor medio
tam = Σ (trd)1
N i =1
N
= 12,0667 mm
Ahora, calculemos (trd – tam) para cada punto
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API 579 – Considere Puntos Aleatorios
Primero, hagamos una tabla de espesores en puntos aleatorios
Siguiente, calculemos (trd – tam) para cada punto
Ahora calculemos (trd – tam)2 para cada punto
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API 579 – Considere Puntos Aleatorios
Primero, hagamos una tabla de espesores en puntos aleatorios
Siguiente, calculemos (trd – tam) para cada punto
Ahora calculemos (trd – tam)2 para cada punto
Encontrar el valor de S
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API 579 – Considere Puntos Aleatorios
Primero, hagamos una tabla de espesores en puntos aleatorios
Encontrar el valor de S
S = Σ (trd-ta,)2
i =1
N
= 12,9333 mm
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API 579 – Considere Puntos Aleatorios
Ahora calculemos el Coeficient Of Variance COV
COV = =1
tam
S
N-1[ ]
0,5 1
12,0667
12,9333
14-1[ ]
0,5
= 0,080 ó 8%
Ya que el COV es menor al 10% podemos utilizar el espesor tam medio
Ahora, el espesor nominal original tnom = 16 mm
PÉRDIDA es la cantidad de corrosión que ha tenido lugar
PÉRDIDA tnom - tam= 16 – 12,0667 = 3,9333 mm
Ahora tenemos que utilizar la fórmula del código para calcular el espesor requerido.
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API 579 – Considere Puntos Aleatorios
Éste es el cilindro con el que estamos trabajando
P = 3,85 MPa Actual MAWPD = 484 mm Diámetro InteriorS = 96,196 MPa Presión Máxima PermisibleE = 1,0 Eficiencia de juntasc = 2 mm Corrosión Permitida – Además FCAtnom = 16 mm Espesor nuevo del cilindro
Fórmula de Código:
tcmin = = =10,1670mmP.(R+c+PÉRDIDA)
S.E-0,6.P
3,85.(242+2+3,9333)
96,196.1,0-0,6.3,85
tam – FCA = 12,0667 – 2,0 =10,0667mm
El cilindro no cuenta con el espesor suficiente para servicio futuro por Valoración Nivel 1
Por lo que podemos: Reducir la MAWP, Reducir la corrosión permitida futura (FCA) Intentar la valoración Nivel 2
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Ya conocemos el tam – FCA = 10,0667 mm
El espesor mínimo encontrado tmm- FCA = 8 mm
tlim = Max(0,2.tnom; 2,5) = Max(0,2.16; 2,5) = 3,2 mm
Calcular Max(0,5.tcmin ; tlim) = Max(0,5.10,167; 3,2)
= 5,0835 mm
Nivel 2 Pasemos a la valoración
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API 579 – Considere Puntos Aleatorios – Nivel 2
Cálculo Simple – Vida útil restante
Supóngase que tenemos el siguiente dato para un periodo de 5 años
La corrosión uniforme total es 2,5 mm para los 5 años Necesitamos saber la vida útil restante de una de las cabezas
Ésta es la cabeza, cuya vida útil restante necesitamos conocer:
P = 1,5 MPa MAWP en la cabezaD = 2500 mm Diámetro Original (Nuevo)c = 3 mm Corrosión permitida Original S = 120 Mpa Esfuerzo de diseño del materialE = 1,0 Eficiencia de las juntas
Velocidad de corrosión uniforme = 2,5 / 5 = cRate= 0,5 mm por año
tFinal = = = 15,645 mmP.D
2SE–0,2P
1,5.2500
2.120.1,0–0,2.1,5
t = Espesor actual corroído = 20 mm
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Cálculo Simple – Vida útil restante
tFinal = 15,645 mm, y t = 20 mm y cRate = 0,5 por año
Corrosión restante= 20 - 15,645 = 4,355 mm
Vida útil restante = 4,355/velocidad de corrosión = 4,355/0,5= 8,71 años
Se asume que la corrosión continúa a velocidad uniforme
Ahora nos movemos sobre algo más
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Ejemplo Simple – Corrosión por picaduras
Éste es un ejemplo típico de corrosión por picaduras
La valoración Nivel 1 es muy sencilla
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Ejemplo Simple – Corrosión por picaduras
Primero, tenemos los datos del cilindro – diseño original
D = 60 in Diámetro interiortnom = 0,75 in Espesor originalLOSS = 0,05 in Pérdida de metal uniformeFCA = 0,07 in Futura Corrosión permitida S = 17500 psi Presión de diseñoE = 0,85 Eficiencia de las juntas
Paso 1: Localizar la peor área con el mayor número de picaduras
Paso 2: Medir Profundidad máxima de picaduras wmax = 0,3 in
Paso 3: Obtener el valor de tc de su ecuación
tc = tnom – PÉRDIDA – FCA = 0,75 – 0,05 – 0.07 = 0,63 in
Paso 4: Obtener la relación de espesor restante Rwt de su ecuación
tc
tc + FCA-wmax
0,63
0,63 + 0,07-0,3Rwt = = = 0,6349
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Ejemplo Simple – Corrosión por picaduras
tc = 0,63 in Rwt = 0,6349 PÉRDIDA = 0,05 in FCA = 0,07 in
Paso 5: Obtener el radio interior efectivo del cilindro Rc
Rc = D/2 + LOSS + FCA = 30+0,05+0,07 = 30,12 in
Paso 6: Calcular la MAWP del cilindro
MAWP = = = 307 psiS.E.tc
Rc+0,6.tc
17500.0,85.0,63
30,12+0,6.0,63
Paso 7: Verificar si la MAWP tiene que ser reducida
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Ejemplo Simple – Corrosión por picaduras
Aquí un ejemplo de una sonda de medición de picaduras
Pasamos ahora a un nuevo tema
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Fuera de Redondez - Picos
Esto es lo que se entiende por Pico:
Las terminaciones del cilindro son rectas, en vez de cilíndricas
Medir la altura de pico δ = 0,31 in
δ
Realicemos la valoración Nivel 2
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Fuera de Redondez - Picos
Obtener todos los datos del cilindro
δ
36 in
0,31 in
Do = 36 in Diámetro exterior del cilindrotnom = 0,5 in Espesor de paredP = 315 psi Presión de diseñoE = 1,0 Eficiencia de juntasFCA = 0,05 in Futura corrosión permitidaEY = 25,2.106 psi Módulo elásticoSa = 16 800 psi Esfuerzo del materialHf = 3,0 Factor de carga secundaria – de API 579
0,5 in
PÉRDIDA= 0 in Metal perdido
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Fuera de Redondez - Picos
Obtener todos los datos del cilindro
Do = 36 in Diámetro exterior del cilindrotnom = 0,5 in Espesor de paredP = 315 psi Presión de diseñoE = 1,0 Eficiencia de juntasFCA = 0,05 in Futura corrosión permitidaEY = 25,2.106 psi Modulo elásticoSa = 16 800 psi Esfuerzo del materialHf = 3,0 Factor de carga secundaria – de API 579
PÉRDIDA= 0 in Metal perdido
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Espesor de pared usado en la evaluación tc
tc = tnom – PÉRDIDA – FCA = 0,5 – 0,0 – 0,05 = 0,45 in
Obtener el esfuerzo en la membrana por medio del código σm
σm = = = 12 474 psiP.(Ro- 0,4.tc)
tc.E
315(18 - 0,4.0,45)
0,45.1,0
R radio interior = Ro – tnom + FCA + tc/2 = 17,775 in
Fuera de Redondez - Picos
Relación de tensiones de flexión adicionales inducidas SP
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ν Radio de Poisson = 0,3
SP = ( )0,5 = ( )0,512(1- ν 2)PR3
EY.tc3
12(1- 0,3 2)315.17,7753
25,5.106.0,453
= 2,88
De SP y δ/R y Figura 8.13 se obtiene Cf = 0,83
Necesitamos 3 valores mas: Rb1, Rb2 y Rbs el cálculo es largo
Fuera de Redondez - Picos
Relación de tensiones de flexión adicionales inducidas SP
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ν Radio de Poisson = 0,3
SP = ( )0,5 = ( )0,512(1- ν 2)PR3
EY.tc3
12(1- 0.3 2)315.17,7753
25,5.106.0,453
= 2,88
De SP y δ/R y Figura 8.13 se obtiene Cf = 0,83
Necesitamos 3 valores mas: Rb1, Rb2 y Rbs el cálculo es largo
Rb1 = 3,43, Rb2 =3,43 y Rbs = -1,0 (cálculos no mostrados)
Finalmente, calcular el Factor de Resistencia Restante RSF
Hf.Sa
σm.(1+Rb1)+LOSS(1+Rbs)RSF = min( ; 1,0)
3,0.16 800
12,474.(1+3,43)+0= min( ; 1,0 ) = 0,91
Fuera de Redondez - Picos
RSF = 0,91 de la diapositiva anterior
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RSF permitida = 0,90 requerimiento de API 579
Conclusión: Aprobado, cilindro está apto para entrar a servicio
Una palabra o dos acerca de ranuras
Una ranura puede ser analizada como una grieta en el recipiente
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σ σ
Puede ser analizada matemáticamente (modelada) como semi elipse
Dos dimensiones importantes : longitud a y el radio de la grieta r
ar
En los alrededores al borde de la grieta, las tensiones se incrementan
Sa
Sc
Sa esfuerzo medio, y Sc esfuerzo incrementado
Sa / Sc se conoce como el factor de concentración de esfuerzos (scf)
Una palabra o dos acerca de ranuras
Un investigador de Cambridge, Inglis hizo el trabajo matemático
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σ σ
ar
Sa
Sc
Ésta es la ecuación que diseñó para el scf
scf = 2 + √ a
r
Si la punta de la grieta tiene un radio agudo, el scf es muy alto
El esfuerzo puede estar en el intervalo plástico del diagrama Esfuerzo - Deformación
Una palabra o dos acerca de ranuras
Un investigador de Cambridge, Inglis hizo el trabajo matemático
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Ésta es la ecuación que diseñó para el scf
scf = 2 + √ a
r
Si la punta de la grieta tiene un radio agudo, el scf es muy alto
El esfuerzo puede estar en el intervalo plástico del diagrama Esfuerzo - Deformación
ε deformación
σe
sfu
erz
o
ZonaElástica
Zona Plástica
Punto de fluencia
0,2%
Esto puede convertirse en una fuente de problemas de fatiga
Una palabra o dos acerca de ranuras
Un investigador de Cambridge, Inglis hizo el trabajo matemático
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Ésta es la ecuación que diseñó para el scf
scf = 2 + √ a
r
Si la punta de la grieta tiene un radio agudo, el scf es muy alto
El esfuerzo puede estar en el intervalo plástico del diagrama Esfuerzo - Deformación
Esto puede convertirse en una fuente de problemas de fatiga
No hemos analizado ranuras y picaduras
Éste es el fin de la presentación
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Gracias por ver la presentación,Tienen alguna pregunta?