ASIGNATURA.INTEGRIDAD.EQUIPOS

Montevideo, Junio del 2008

CYTED- IBEROEKA

1

Qu es?

Comportamiento y Aptitud en servicio

La aptitud para el servicio es una evaluacin

cuantitativa de ingeniera que se realiza a un equipo,

con el propsito de determinar si est apto para

continuar operando durante un perodo futuro

determinado.


A qu se aplica?

A cualquier equipo sujeto a acumulacin de dao.

Cuando se aplica?

Antes que los daos acumulados se vuelvan crticos.

Cul es el resultado?

Proporcionar un medio de apoyo, basado en los principios de la

ingeniera, al responsable del equipo para que las decisiones

adoptadas puedan garantizar un perodo de operacin segura y

confiable.

2


Perodos de vida de un equipo


Seguridad: (vista como un enfoque integral) de :La

seguridad del personal de planta y de contratistas.

Componentes hlisticos

de la aptitud en servicio

Cumplimiento de la norma OSHA 1910 (Occupational

Safety and Health standars) process safety

management (PSM) rules

Proteccin del medio ambiente por derrames

accidentales de sustancias perjudiciales.

Fiabilidad (cumplimiento de tareas sin presentar

fallas) operacin confiable de instalaciones

envejecidas

Mantenimiento seguro y confiable de las operaciones

con un incremento de tiempo entre corridas y un

decrecimiento del periodo de parada

La viabilidad de aumentar la severidad de las

operaciones

Cdigos Normas : utilizacin de cdigo ASME, API,

normas NACE, SAE,.

3


Una evaluacin de la aptitud de servicio no proporciona ningn

res ltado si el mecanismo de dao no p ede ser identificado

La identificacin del o los mecanismos de daos es o son la clave

en la evaluacin.

La comprensin del mecanismo de dao es necesario para evaluar

la cintica de la evolucin del dao.

Mecanismo de dao

Su identificacin

Su cintica

Evaluacin de

la Aptitud en

servicio

Mecanismos de Dao: Ejemplos

Corrosin

Erosin

H2

Corrosin bajo esfuerzos

Dao por Creep

Fragilizacin por Hidrgeno

Dao por Fatiga

D d i Mi

Fragilizacin

t t l

4


Verificar si el estado en que el mismo se encuentra es compatible

con su adecuacin al uso.

Estimar a vida residual o el tiempo de operacin exento de falla.

Definir eventuales intervenciones correctivas o preventivas de

mantenimiento, capaces de perfeccionar la adecuacin al uso del

componente o sistema.

http://drvargas43-arcoiris.blogspot.com

Mecanismos de Dao e Inspeccin

Etapas bsicas al aplicar al aplicar

ENDs:

Q b d t t ?

Los ENDs permiten obtener informacin sobre la condicin de los materiales,

componentes y equipos sin la cul no se puede realizar una adecuada inspeccin;

Cundo se aplicar el ensayo?

Con qu frecuencia?

Qu zonas o puntos se ensayarn?

Cul es el mtodo (o los mtodos)

ms convenientes?

Cul es la tcnica ms indicada?

Obtencin de una indicacin

PMF

Interpretacin Evaluacin

Aplicar ensayos en forma arbitraria no

necesariamente resulta en un aumento de la

confiabilidad, seguridad y rentabilidad

La tcnica de inspeccin utilizada depende del tipo de dao esperado

5

$

Costos y Beneficios

La evaluacin de la Aptitud en el

Servicio cuesta dinero

U b fi i b i l j d

la seguridad S es o nn seguro operar unun

equipo envejecido que pue

haberse degradado en servicio

Se puede reducir la Existen otros beneficios sustancialmente ms

econmicos que no son

probabilidad de

programadas

Proporciona una herramie

no

aparentemente tan evidentes y que resultan de la

aplicacin de esta

tecnologa.

ingenieril para determinar si se

procede o n a sustituirsustitui un

componente daado

Puede dar lugar a un

mejoramiento del rendimiento

operacional

La tcnica de inspeccin utilizada depende del tipo de dao esperado

CYTED- IBEROEKA

GESTIN DE INTEGRIDAD DE

EQUIPOS Y SISTEMAS

6

La determinacin del comportamiento y de la aptitud de servicio

Antiguamente los cdigos de Diseo

ASME y API solo atendan inspeccin de

fabricacin.

La inspeccin en servicio utilizaba los

Cdigos de Diseo como una gua


En las dcadas de los 70 80 surgen los primeros documentos para

orientar la inspeccin en servicio:

Battelle Memorial Institute / Estados Unidos:

Summary of Research to Determine the Strength of Corroded Areas in

Line Pipe; 1971.

British Standards Institution:

BS-PD 6493-80 Guidance on Some Methods for The Derivation Of

Acceptance Levels for Defects in Fusion Welded Joints; 1980.

ASME:

Guide for Gas Transmition and Distribution Piping Systems; 1983.

7

En los aos 90

ASME:

ANSI/ASME B31:B31G; Manual for Determining the

Remaining Strenght of Corroded Pipelines; 1991.

British Standards Institution:

BS-PD 6493-91 Guidance on Methods for Assessing the

Acceptability of Flaws in Fusion Welded Structures; 1991.

En Sur Amrica

El 30 de mayo de 1992, en la ciudad de Minas, Uruguay, los representantes de

diferentes pases participantes del Encuentro Internacional en Deteccion y

Evaluacion de Daos en Componentes Mecnicos de Equipos Industriales

DETEDAM-92, aprobaron la creacin del Proyecto Multinacional de

Evaluacin de Integridad y Extensin de Vida de Equipos Industriales

PROMAI

Prticas Recomendadas:

1.- Recomendao Geral para Inspeo de Componentes e Instalaes que

Operam em Altas Temperaturas; ABCM / CTVP-PR: 001-92

2.- Metalografia de Campo; ABCM / CTVP-PR: 002-93 3.- Avaliao da Tendncia para Acumulao de Dano por Fluncia Atravs do

Fator de Utilizao em Projeto, ABCM / CTVP-PR: 003-95

Recomendao Tcnica:! Aspectos Gerais da Avaliao de Integridade e

Extenso de Vida de Estruturas e Equipamentos Industriais.. Autores: Freire,

J.L., Castro, J.T.P.; Otegui, J.L., Manfredi, C.

8


Alrededor del 2000 . . .

Nace la Evaluacin de Aptitud para el servicio

API 579/2000: Fitness-for-Service, 2000

(Fue desarrollado para evaluar los defectos y los daos asociados con la

operacin en el servicio.)

API 581/2000: American Petroleum Institute; API Publication

581, Risk-Based Inspection Base Resource Document, 2000.con su

documento de referencia API-580

API 571/2003: Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment

in the Refining Industry.

Fitness For service

En el presente ...

API/ASME se unieron para

formar una norma basada en la

API 579 API 579-1 ASME FFS-June5 2007

(API 579 second edition)

9

API API 579API 579--1 ASME FFS outline

PART 1 INTRODUCTION

PART 2 - FITNESS-FOR-SERVICE ENGINEERING ASSESSMENT PROCEDURE

PART 3 - ASSESSMENT OF EXISTING EQUIPMENT FOR BRITTLE FRACTURE

PART 4 - ASSESSMENT OF GENERAL METAL LOSS

PART 5 ASSESSMENT OF LOCAL METAL LOSS

PART 6 - ASSESSMENT OF PITTING CORROSION

PART 7 - ASSESSMENT OF HYDROGEN BLISTERS AND HYDROGEN DAMAGE

ASSOCIATED WITH HIC AND SOHIC

PART 8 - ASSESSMENT OF WELD MISALIGNMENT AND SHELL DISTORTIONS

PART 9 - ASSESSMENT OF CRACK-LIKE FLAWS

PART 10- ASSESSMENT OF COMPONENTS OPERATING IN THE CREEP RANGE

(Assessment procedures for remaining life calculations for components with or without crack-

like flaws)

PART 11 - ASSESSMENT OF FIRE DAMAGE

PART 12 - ASSESSMENT OF DENTS, GOUGES, AND DENT-GOUGE COMBINATIONS

PART 13 - ASSESSMENT OF LAMINATIONS

Appendices

10

Se describen tres niveles de evaluacin

Metodologa

Nivel I es un nivel bsico de inspeccin desarrollada por

inspectores entrenados que envuelve clculos simples utilizando

datos de diseo y registros planta

Nivel II es una inspeccin ms compleja que el nivel I y debe ser

desarrollada por ingenieros entrenados en API/ASME FFS basada

en los registros de inspeccin, condiciones de operacin y hojas de

clculo.

Nivel III es un anlisis ms refinado que el nivel I y II se debe llevar

a cabo con ingenieros con alto grado de conocimiento y

experiencia se deben incluir modelamiento y simulaciones

computacionales.

Estos tres niveles representan un equilibrio entre la simplicidad y la

precisin !

Nivel de

Evaluacin

Nivel I

Nivel II

Nivel III

Caractersticas Detalles

mnimos

Ms detalles Muy detallados

Histrico de

fallas

Registros de

planta

Registros de

planta

Registros de

planta

Dimensiones Registros o

diseo

Medidos o

diseo

Medidos

Condicin

Temperatura /

presin

Esfuerzos

Registros o

diseo

Datos de diseo

o registros

operacionales

Datos de diseo

o registros

operacionales

De la

Inspeccin

Operacionales

o medidos

Clculos

simplificados

De Inspeccin

detallada

Medidos

Clculos

refinados

Material /

propiedades

Datos de diseo Mnimo nominal Datos reales del

material

Muestras

fsicas

No No Si

11

aci

na

ci

n d

e lo

s n

ivele

s d

e e

va

lu a

de lo

s n

ivele

s d

e e

va

lu a

Deta

lles d

D

eta

lles d

Resultados de la evaluacin

Si un componente no cump con loslos requisitos de

evaluaci

del nivelnivel III, despus de no satisfacer los nivelesniveles I y II, debe serse

sustituido u otrasotras medidasmedidas correctivas adoptadas

Evaluacin Ingenieril de la Aptitud en servicio

Si los resultados indican que el equipo no esta en condiciones

adecuadas para mantenerse en funcionamiento a una P y T,

debe ser establecerse una nueva una presin o temperatura

mxima de trabajo reducida

Ms de un mecanismo de dao tendr que ser evaluado

Un procedimiento de evaluacin de ocho etapas tendr que

ser ejecutado

12


Etapa 1: Identificar el tipo de defecto y mecanismo de

dao

Etapa 2: Evaluar Aplicabilidad y limitaciones de los

procedimientos de Evaluacin de la Aptitud en

Servicio

Etapa 3: requerimientos de datos dependiendo del

tipo de defecto/mecanismo de dao

Etapa 4: Evaluacin de la tcnica y criterios de

aceptacin

Et 5 E l i d l id R

Etapa 6: Reparaciones

Etapa 7: Monitoreo en servicio

Etapa 8: Documentacin

t

En general los tipos de mecanismos de degradacin

que pueden provocar fallas de los equipos a presin

Corrosin y erosin general localizada

Agrietamiento causado por el medio ambiente

Degradacin y envejecimiento metalrgico

Degradacin a alta temperatura y fractura frgil

Dao y agrietamiento mecnico

Defectos en soldadura de fabricacin y proceso

Cualquier cosa que cause degradacin y posibles fallas en los

materiales de utilizados en recipientes a presin

Cientos de documentos y referencias de corrosin estn disponibles en la

literatura, pero uno nuevo realmente se destaca: API RP 571, Damage

Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry

Esta escrito para todos los especialistas en general que trabajen en la industria

de hidrocarburos

13


Requerimiento de Datos

Contenido histrico del equipo

M i d l l

Diseos de fabricacin;

Libro de datos producido por el proyectista, fabricante ;

Informes de Inspeccin;

Recomendaciones Tcnicas de Inspeccin;

Registros de Reparaciones y Modificaciones;

Informes de Evaluacin de Integridad y dems

documentos relativos a eventuales estudios de ingeniera

ejecutados.


Requerimientos de Datos

Informe de Inspeccin individual.

R

bl f h d l lti

i i

Identificacin del sistema;

Identificacin del componente e indicacin de la clase de riesgo que se

le es atribuido;

Fecha de vencimiento del plazo establecido para la inspeccin;

Hoja de datos y dems caractersticas constructivas y operacionales

de inters para la inspeccin;

Diseo de inspeccin que oriente las actividades de campo. Ese

diseo debe contener las informaciones que garanticen rastrehabilidad

de los resultados de la inspeccin;

Mecanismos de acumulacin de dao posible de manifestacin, modo

y regin de actuacin probable.

14


Requerimientos de Datos

Adems el componente debe tener disponible la

i i t i f i

Estado presente del componente, incluyendo la identificacin de los

mecanismos de dao actuantes, cuantificacin de los daos

acumulados de la ltima inspeccin con descripcin pormenorizada

de intensidad, distribucin, orientacin y dems caractersticas

relevantes;

Parmetros numricos o evidencias de cualquier naturaleza que

indiquen la cintica de la evolucin de los daos.

Histrico de Mantenimiento & operacin


Criterios de aceptacin

Tcnicas de Evaluacin y Criterios de aceptacin:

Tres Niveles de Evaluacin

Nivel 1: Una aproximacin conservadora - mnimo de

inspeccin e informacin requerida

Nivel 2: Una evaluacin ms detallada

Nivel 3: Una evaluacin ms detallada y precisa haciendo uso

de procedimientos detallados de anlisis de esfuerzos (ej.

Mtodos de elementos finitos)


Esfuerzo permitido (Allowable stress)

Factor de esfuerzo remanente (Remaining strength factor)

Diagrama de evaluacin de Falla (Failure assessment diagram)

15



Esfuerzo permisible para un componente con defectos

volumtricos

Intensidad de esfuerzos (intensidad equivalente de esfuerzos

combinados) calculados por sitio el cul debe ser inferior al

esfuerzo admisible.

Criterios de deformacin que se deben cumplir

Nivel de esfuerzos para la iniciacin de gritas por fatiga que deben

cumplir

Criterio para la iniciacin de grietas por Creep-fatiga que deben

cumplir.

Esfuerzo admisible para un componente con defectos

pasantes (Crack-Like Flaw)

Crecimiento de grietas y criterios de estabilidad que deben cumplir

Criterios de deformacin que deben cumplir



Factor de Esfuerzo Remanente (RSF)

RSF =

L DC

LUC

LDC= Limite o carga para un colapso

plstico de componentes con defectos.

LUC= Limite o carga para un colapso

plstico de componentes sin defectos.

RSFa Factor de Esfuerzo Remanente Permisible

RSF RSFa

RSF RSF

El componente daado puede ser devuelto al servicio.

El componente daado puede ser reparado y re-evaluado a

Valor Recomendado del factor RSFa 0.9 para equipos en la industria de proceso

16



Presin re-evaluada a partir del valor de RSF

MAWPr= MAWP para RSF RSFa

RSF

MAWPr= MAWP para RSF < RSFa

RSFa MAWPr= presin re-evaluada en el componente daado

MAWP = presin original de trabajo mxima permisible del componente



Diagrama de Evaluacin de Falla (FAD)

De este diagrama se puede deducir

el comportamiento crtico de una

grieta en cuanto a su tendencia a

fallar por fractura frgil o dctil.

Las caractersticas principales de

este diagrama son su interrelacin

entre la tenacidad del material, las

cargas aplicadas, la geometra de la

grieta, y las propiedades del

material.

La Resistencia a la Fractura es mostrada en trminos

relacin de tenacidad y relacin de carga

17


K

r

=

K

I

Regin Inaceptable

Regin aceptable

KI= Factor de Intensidad de Esfuerzos

Kmat= Tenacidad a la Fractura del Material.

r= Esfuerzo de Referencia.

y= Esfuerzo de Fluencia del Material.

KMat

_ _ _ _ Nivel 2 FAD

______ Nivel 3 FAD

L=refr y

Relacin de Carga

Evaluacin de vida Remanente

Luego de la evaluacin de Integridad , la vida residual debe ser estimada (para

conocer la evolucin del crecimiento del defecto a un tamao crtico antes que

pueda causar fugas o rotura. A continuacin, los nuevos intervalos de inspeccin

se pueden establecer.

18

R ela

ci

n d

e T

en

acid

ad

R

Dao y Mecanismos de Dao

19

API RP 571, Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment

in the Refining Industry

Organizacin

Descripcin de cada mecanismo de dao

Materiales de construccin afectados

factores crticos que causan el dao

Equipos y unidades de proceso afectadas

Descripcin de la apariencia del dao

Prevencin y mitigacin

Inspeccin y monitoreo

Mecanismos de dao relacionados

Otras referencias de cada mecanismo de dao

Fotos (macroscopicas y microscopicas)

Mecanismo de

Dao

Descripcin

Grafitizacin (Graphitization )

Es un cambio microestructural causado por exposicin a temperaturas

altas que hacen que los carburos se descompongan generando ndulos

de grafito. Ocurre cuando los granos de perlita de aceros al carbono y de

aceros con 0.5% Mo se decomponen en granos de ferrita y ndulos de

grafito

Materiales afectados AC, 0.5Mo

Temperatura 430 y 600oC.

Variables

crticas

Consecuencias

tiempo

Nivel de tensin

otras

P did d i t i

prolongada exposicin

i d tilid d i t i fl i En

Morfologa

Tcnica de

inspeccin/ Monitoreo

estados avanzados puede ocurrir la existencia de grietas y vacos

conectados que, bajo tensin, pueden causar falla frgil,

Regiones localizadas prximas a soldaduras o dispersas ,

Microscopia ptica , Rx

20

Grafitizacin (Graphitization )

Casco de una torre de craqueamiento trmico por visco reduccin cuya vida residual

fue evaluada despus 240.000 h de operacin. Caractersticas: acero carbono

ASTM A 285 gr C: El casco es revestido internamente con chapa de acero inoxidable

AISI 405 con 2,8mm de espesor. La temperatura del fluido en la base de la torre es

465 C, siendo el refractario aplicado del lado externo.

Macrografa de una junta longitudinal presentando grietas cuyo origen es la

coalescencia de vacos lenticulares de fluencia; ndulos de grafito alineados

sobre a zona afectada por el calor en la regin indicada.

Mecanismo de Dao Esferoidizacin (Spheroidization)

Descripcin Cambio microestrutural causado por exposicin a temperaturas

altas que vuelven a los carburos inestbles y que se aglomeren e

formas esfricas.

Materiales afectados AC, 0.5Mo, 1Cr-0.5Mo, 1,25Cr-

0.5Mo, 2.25Cr-1Mo, 3Cr-1Mo, 5Cr-

0.5Mo, 9Cr-1Mo

Temperatura 440oC a 760 oC

Variables crticas tiempo

Nivel de tensin

otras

Pocas horas a 550 oC y varios aos

a 460oC

Consecuencias

Morfologa

Tcnica de inspeccin/

Monitoreo

Prdida de resistencia mecnica y resistencia a la fluencia, sin

gran probabilidad de ruptura a menos que las tensiones sean altas.

La Perlita se transforma en granos de ferrita y en esferoides de

grafito. en los 5% 9% CrMo: los carburos finamente espaciados

se aglomeran.

Detectable por observacin microestrutural; Ensayo mecnico para

verificar prdida de resistencia.

21

Mecanismo de

Dao

Descripcin

Esferoidizacin (Spheroidization)

Fragilizacin por Revenido (Temper Embrittlement)

Reduccin de la tenacidad de algunos aceros C-Mo debido cambio

microestrutural (segregacin de elementos como fsforo y estao en

los lmites de grano) causado en por larga exposicin a temperaturas

(350 a 600oC), provocando aumento de la temperatura de transicin

dctil-frgil Este cambio de propiedades no es evidente a altas

temperaturas, mas puede causar falla frgil en la partida o parada

cuando el componente opera a temperaturas bajas.

Materiales 2.25Cr-1Mo, 3Cr-1Mo, AR Cr-Mo-V de rotores, 1.25Cr- afectados

0.5Mo, 2.25Cr-0.5Mo

Variables crticas Temperatura Rango: 350oC a 600oC

tiempo Tiempo de exposicin largo

Consecuencias

Morfologa


Monitoreo

Perdida de tenacidad a la fractura que no es evidente a alta

temperatura mas puede causar falla frgil en la partida o parada a

temperatura baja. Ejemplo: valor de CVN puede pasar de 80J a 4J a

temperatura ambiente

Solo es detectable por medio de ensayos de impacto verificando

cambios en la temperatura de transicin.

Ensayo de impacto y/ tenacidad

22

Fragilizacin por Revenido (Temper Embrittlement)

Qu no nos pase sto

Ammonia converter nuevo, material

Cr-Mo-V, La fractura se produjo

durante la prueba hidrulica

(34N/mm2), fragilizado durante el

tratamiento de revenido. Presin de

servicio 35N/mm2

Correlacin entre el factor J y el incremento en FATT

en aceros 2.25Cr-1.0Mo que han estado

sometido a estudios de fragilizacin por revenido a

temperatura constante por largos periodos de

tiempo.

Mecanismo de Dao Fatiga Trmica (Thermal Fatigue)

Descripcin

Variables crticas

Consecuencias

Tipo de equipo

Morfologa


Monitoreo

La fatiga trmica resulta de tensiones cclicas causadas por

variaciones de temperatura.

Materiales afectados Todos.

Temperatura Variaciones de temperatura en puntos del

componente iguales o mayores a =20oC.

tiempo El nmero de ciclos n de variacion de

temperatura es el parmetro relevante.

Nivel de tensin Alto o bajo.

otras Posibilidad de goteamiento.

Presencia de entallas.

Presencia de soldadura de materiales dismiles.

Agrietamiento seguido de ruptura y derrame.

Todos los que trabajan con puntos que puedan tener variaciones

cclicas de temperatura. Tambores de coque, vlvulas deby pass y

tuberas.

El dao se inicia en superfcies y en las regiones de goteamientos o entallas

Estado inicial: RM & MEV.

Estado intermedio: RM & OM.

Estado avanzado: observacin de grietas; IV, LP, PM.

23

Tubo aleteado de caldera pirotubular

Serpentina de un horno de pirlisis

Fatiga Trmica (Thermal Fatigue)

Como es tpico de este mecanismo, las grietas son mltiples, sin orientacin

definida, superficiales y se propagan formando arreglos celulares

Fatiga Trmica (Thermal Fatigue)

Junta soldada disimilar entre la

parte superior de una columna

de reforma en acero carbono

ASTM A161 y la restante en

acero ASTM A608 gr HK Esta

(a) 40X columna fue desactivada despus de 45.800h de servicio para Evaluacin de la vida

residual de las dems. (a) Se

encontr una grieta en la raz

del cordn entre el acero

(c)

40X

(b)

(d)

330X

330X

carbono y el metal depositado

cuyo origen se debe a fatiga

trmica combinada con

corrosin; (c y d) grafitizacin

localizada en la zona afectada

por el calor de esa misma junta

y que est asociada a la

descomposicin de la estructura

perltica.

24

Mecanismo de Dao Corrosin Intergranular - Corrosin bajo Tensin por cidos

Politinicos (Polythionic Acid Stress Corrosion Cracking (PASCC) )

Descripcin Es una forma de SCC que ocurre en partidas, paradas y durante operacin

cuando aire y humedad estn presentes. El agrietamiento es debido a cidos

a base de azufre que se forman a partir de capas de azufre en contacto con

aire (O2) y humedad y que actan sobre aceros inoxidables austenticos

sensitizados. La sensitizacin ocurre cuando el material queda expuesto a

l d f b i i ld d i i l

temperatura. El trmino sensitizacin se refiere a la formacin de carburos de

cromo en los contornos de granos a una temperatura de 400C a 815C.

Materiales

afectados Srie 300, aleaciones 600/600H y 800/800H.

Variables crticas

Consecuencias

Tipo de equipo

Morfologa

Tcnica de inspeccin /

Monitoreo

Nivel de tensin Aplicada o residual

otras Concentracin de cido, velocidad, contaminacin y presencia de xidos.

Fragilizacin del componente debido a la presencia de grietas.

Tuberas y equipos en unidades que pueden tener materiales sensitizados y

envuelven trabajo con azufre a alta temperatura.

Ataque localizado preferencialmente en la ZTA. Aspecto intergranular. grietas

ramificadas reveladas por OM. Sin prdida de espesor.

LP con limpieza previa. El problema no ocurre durante la operacin.

Corrosin Intergranular - Corrosin bajo Tensin por

cidos Politinicos (Polythionic Acid Stress Corrosion

Cracking (PASCC) )

Tubera de transferencia de hidrocarburos

que present grietas en juntas soldadas de

construccin. Caractersticas: chapa de acero

inoxidable austentico tipo AISI 316; dimetro

externo 355mm; espesor de pared 4,8mm;

temperatura de proyecto 621 oC. Las grietas

lt d i d t

paradas de mantenimiento provenientes de

cidos politionicos formados en depsitos

adherentes al refuerzo de la raz de la

soldadura y no retirados por lavado con

vapor.

25

Mecanismo de

Dao

Descripcin

Sensitizacin (Sensitization)

Fenmeno que ocurre en los aceros inoxidables austenticos al

precipitar carburos complejos de cromo en los contornos de los granos

causando disminucin de la resistencia a la corrosin y permitiendo un

ataque intergranular cuando es expuesto a un medio corrosivo

(corrosin intergranular)

Variables crticas

Materiales afectados

Temperatura

tiempo

Nivel de tensin

otras

Aceros Inoxidables Austenticos

Rango: 400oC a 900oC.

Tensiones activan el mecanismo.

Porcentaje de Carbono.

Consecuencias

Morfologa


Monitoreo

Mecanismo de

Dao

Descripcin

Disminucin de la ductilidad de la tenacidad de la resistencia mecnica

despus de la presencia de la corrosin intergranular

Detectable por observacin microestrutural.

Grietas a lo largo de los contornos de granos. Regiones prximas a la

soldadura.

Observacin microestructural

Fragilizacin por formacin de Fase Sigma (Sigma Phase

Embrittlement)

Formacin de una fase dura y frgil con composicin Fe0,6Cr0,4

llamada fase sigma, causando decresimiento en tenacidad de algunos

aceros inox ferrticos, y austenticos con Cr mayor de 17%, expuestos a

altas temperaturas (550o a 950oC) durante tiempos prolongados. Fase

sigma es un micro constituyente no magntico que se forma a

temperaturas elevadas en ferritas de alto cromo, en porciones ferrticas

de aleaciones austenticas y ocasionalmente en la propia austenita

Materiales Trabajado en fro o Fundido 300 SS, HK, HP, 400 SS,

Variables afectados

17%Cr, 430, 440.

crticas Temperatura Rango: 550oC a 950oC.

tiempo

t

Tiempo corto a 475oC

Tiempo largo a 320oC.

I fl i d l M

Consecuencias

Morfologa

Tcnica de

inspeccin/ Monitoreo

Aumento de la resistencia mecnica y disminucin de la ductilidad y de

la tenacidad

Grietas en regiones soldadas. Deteccin por ensayos de impacto con muestras de

componentes retirados de servicio.

Por Observacin metalogrfica; permeabilidad magntica,

26

Es la hora de almorzar !!!

27

Flaws Make the World Beautiful!

Were it not for the flaws, rocks and mountains would have been

perfectly boring

Un gelogo

Temas de inters

Introduccin

Tipos de fractura en metales

Esfuerzo Cohesivo Terico

Desarrollo de las teoras de fractura frgil

Fractura frgil

Fractura dctil

Transicin Dctil -frgil

F t i t l t l

Factores que afectan el modo fractura

Concepto de la curva de fractura

28

Porqu los Materiales Fallan ?

Negligencia d rante el

diseo, Construccin u

operacin (falla tipo I)

Aplicacin de un nuevo

diseo o Material que

d l d

inesperado (falla tipo II)

Negligencia durante el

operacin

diseo, Construccin u

Error humano ignorancia materiales inapropiados errores en anlisis

de tensiones , operadores no calificados son ejemplos de donde la

tecnologa y experiencia apropiada estn disponibles, pero no fue

aplicada.

Aplicacin de un nuevo diseo o Materialaterial que produce

un resultado inesperado

El segundo tipo de falla es mucho mas difcil de prevenir. Cuando un

diseo inapropiado es introducido hay factores imponderables que el

diseador no puede anticipar. Nuevos materiales pueden ofrecer

grandes ventajas, pero tambin problemas potenciales

29

Eventos catastrficos que incluyen elementos las fallas Tipos I y II El 28 de

enero de 1986, The Challenger Shuttie explot

Causa: Un 00--ringring sealseal en uno de los propulsores principales no respondi a

las bajas temperaturas.

Falla tipo I : El Shuttie representaba la tecnologa de futuro,

Falla tipo II :Los ingenieros del fabricantes del propulsor sospecharon de un

problema potencial con los 0-ring y recomendaron que el lanzamiento fuera

aplazado

Resultado Desafortunadamente, fueron incapaces de convencer a los

gerentes de la NASA . Los resultados trgicos de la decisin son bien

conocidos.

Tomado de:

John Reynolds

Shell Global Solutions, US

Houston, Texas

30

Resistencia Cohesiva Terica

En los trminos ms bsicos, La resistencia de un material es debido a la

Fuerza Cohesiva de tomos

L f t ti l i t b d t i i l f

cohesiva entre ellos, la cual varia de acuerdo a su distancia de separacin

El esfuerzo cohesivo terico mxpuede

ser obtenido de la relacin sinusoidal

como:

= E

s

1

/2

Donde

mx a o

ses la energa de superficie

ao el espaciamiento interatmico

Se estima que mx es aprx E/10

Ejemplo: Determinar la resistencia cohesiva terica de una fibra de vidrio,

si E = 95 GPa, s= 1 J.m-2, y a = 0.16 nm.

1

/ 2

9

mx E

= s = 95x10 x1

9 =

24.4GPa

a -

2

4

0

o

-

8

0

0.16x10

El esfuerzo cohesivo es mucho ms elevado que la resistencia a la

fractura de un material de ingeniera.

Esta diferencia entre el esfuerzo de cohesin y el esfuerzo real a la

fractura es debido a defectos inherentes del material los cuales hacen

que la resistencia a la ruptura sea mucho menor.

Griffith explic la anterior discrepancia utilizando el concepto de

balance de energa

Porqu los materiales rompen a esfuerzos

Mucho menores?

Mecnica de la Fractura

EJEMPLO 1 : raya superficial

Mecnica de la ruptura

EJEMPLO 2 : Orificio

F = 72 kN 2r = 50mm

W = 250 mm e = 5mm


Teora de GRIFFITH (1920) bajo la accin de un esfuerzo aplicado, una

grieta no se propaga s, su crecimiento no

d di i i d l t t l

del sistema

Aumento de la Disminucin de la

La propagacin instantnea de un defecto se produce si se satisfacen dos condiciones:

Energa superficial

proveniente de la

creacin de dos

nuevas superficies

Energa Superficial

2x2 s

Energa elstica causada por la propagacin de la

grieta

Energa Elstica

( 2/E) a2

CONDICIN ENERGTICA

Wpot= mg H

CONDICIN MECNICA

Sin Frenos

33


Condicin Energtica Teora de Griffith (1920)

Para que el balance de Energa sea favorable a la

propagacin de la grieta

W = WS W

4a

2

a2

a (W )

0

E S

a

E

0

La condicin critica para la propagacin de la grieta

= = 2Es c

Condicin Mecnica

a


Teora de Griffith (1920)

Para la Ruptura es necesario qu:

y

=

f. (

a

r

)

mx

Factor de

concentracin

de esfuerzos

Consecuencia de la dctilidad

Una deformacin plstica

importante acompaa la

propagacin de la grieta

Ecuacin Griffith Orowan

W 0


Deformacin plstica produce un

a redondeo de la punta de la grieta

MEDIDA DE LA TENACIDAD K C

ENSAYO DE TENACIDAD: ASTM E 399 Standard Test Method for Linear-Elastic

Plane-Strain Fracture Toughness KIc of Metallic Materials

Kc

= c

a

Kc

Unidades de Kcen MPa m

Factor de Intensidad de Esf er os

: Factor geomtrico = f(a,w,B)

c: Esfuerzo Aplicado Crtico = Fc/B(w-a)

35

Esfuerzo Aplicado Vs Tamao del defecto mostrando la regin de

propagacin y no- propagacin del defecto

EJEMPLO

Una aleacin de Aluminio

R02=400MPa

Rm= 480MPa

11 AA = 11% KC= 35MPa m

TENACIDAD

Podemos igualmente calcular la

dimensin mxima de un defecto, a, de

manera que : su propagacin sea en

forma dctil.

El valor de la dimensin del defecto,

a, debe ser el que corresponda al

esfuerzo aplicado menor o igual al S el defecto ms pequeo que podemos Detectar tiene una dimensin de a =5mm

R0,2

= K

C

2 1

Calcular el esfuerzo, que es necesario aplicar para que dicho defecto se

a ( R0,2 )

propague. a = 2,4mm

= KC

a

= 1

= 280MPa

36


Una placa en acero SA 560 Grado 70 tiene una grieta de a=0.5 in el ancho B = 5.00

in y el espesor W =1.25 in . Esta en servicio a una temperatura T = 100F y esta

sujeta, solamente, a una carga axial F = 240 Kips. Determinar si el defecto es

aceptable y la carga mxima de seguridad para un nivel 2

KIc= 33.2 + 2.8606 exp[0.02(T TRef+100)]

[ ( )]

K r

=

K

I

KMat

KIc= 33.2 + 2.8606 exp 0.02 100 40 +100 = 102Ksi in

KI= YPm a = 57.7Ksi in

Y=f(a/W) grado 4

( )

=P

b+Pb2 + 9Pm2 0.5=Pm240

ref

(1 ) (1 ) ( )(1 )

=a

3 240 1.25x5.00

L ref

W

fRe= 51.25)( )[9]=42.7Ksi

4

2

.

7 r

= y L

r

= ref = =

ys38.0

1.12

KK

57.1

r = I = = K 102

0.559

Ejemplo adaptado de una Conferencia Process Equipment FFS por Carl E. Jaske

Ic

Fractura y Tenacidad

Acero 21/4Cr-1Mo tipo SA 387 gr 22 , la unidad esta operando desde 1979 y la

Tmx de operacin es de 404C y la Pmx 113, 5 Kg/cm2 y PH2 : 1489psi

2

aK

ICQ

=

c1.2

2 Iwatanabe et al fracture Tougness of Temper embrittled 21/4Cr-1Mo

La mayora de los materiales

estructurales presentan un

comportamiento mixto:

Deforman elsticamente por

debajo del lmite elstico

Deformacin elstica + plstica

por encima del lmite elstico



= /

(Mdulo de Rigidez)

38

Comportamiento de los Materiales bajo esfuerzo

Comportamiento Frgil sin deformacin plstica,plstica, baja

absorcin de energa antes de la ruptura (baja(baja tenacidad)

Comportamiento Dctil con deformacin plstica, alta

absorcin de energa (alta(alta tenacidad)

Fractura dctil

From The science and Engineering of Materials 4th edition by D.R. Askeland and P.P. Phule.

39

Fractura frgil

Segregacin de impurezas

Precipitacin intergranular

Ambiente corrosivo

Hidrgeno

Revenido

Radiacin de neutrones

Fatiga corrosin

Fluencia

Ciertos metales lquidos

Fractura Frgil

Fractura Intergranular

Fractura Transgranular

Fractura Frgil

Fractura Intergranular

40

Fractura Frgil

Fractura Transgranular

El modo usual de ruptura transgranular es el

CLIVAJE

Introduccin

La fractura de las estructuras lleva a la prdida de bienes y, a

veces, prdida lamentablemente de vidas humanas

El Titanic, choc contra un Iceberg 11.40 2.3 millones de galones de melaza usada en la fabricacin alcohol industrial (Enero 15, 1919)

pm, Abril 14 1912 Se hundi con 1500

personas 2.20 am, Abril 15 1912

41

Comportamiento a la Fractura

The Liberty Ships (1943 Word War)

De los 2700 Liberty Ships construidos, 400 sufrieron fracturas 90

graves. En 20 naves la fractura fue total y la mitad de ellos se

partieron en dos

Influencia de la Temperatura

en la Transicin Dctil Frgil

42

Acero del Titanic Acero al Carbon

R 0.2% : 190 MPa

Rmx: 420 MPa

Elongacin: 29%

Tamao de grano 42 m

Alto % de P y S

Titanic

43

Mecanismo de Dao Falla frgil (Brittle Fracture )

Descripcin Falla frgil es una fractura rpida causada por tensin (aplicada o residual) donde el material exhibe poca o ninguna evidencia de plastificacin.

Materiales afectados AC, AL, Inox srie 400 y srie 300 cuando

la fraglizacin es por por fase sigma.

Temperatura Bajas temperaturas

Nivel de tensin Alto o bajo

Variables crticas

Consecuencias

otras

Catastrficas

Aplicacin rpida de esfuerzos, choques.

Arranque y paradas.

Derrames con auto-enfriamiento.

Presencia de entallas.

Existencia de grietas.

Grandes espesores.

Modificaciones metalrgicas que provocan

fragilizain: Fase Sigma, Trabajo a 475oC,

Fragilizacin por Revenido, Envejecimiento

por Deformacin

Morfologa Falla con apariencia frgil sin ramificaciones y sin evidencia de plastificacin

y estriccin. Al microscopio se revela una fractura transgranular.


Monitoreo

Tcnicas para deteccin de

grietas: LP, PM, US, RX

Temperatura y solicitaciones.

Se requiere:

Evaluacin de la Fractura Frgil

Cuando algn cambio en el proceso aumenta la posibilidad de

tener bajas temperaturas del metal.

La revisin de un proceso peligroso indica que la temperatura

de proceso puede ser inferior al diseo original

Cuando el equipo reclasificado (re-rated) manteniendo el

menor margen de diseo

Una significativa presin interna (presin de diseo) puede ser

experimentada cercana a la temperatura ambiente durante el

arranque o parada de la unidad

La condicin del equipo garantiza la evaluacin

44


Exposicin a Temperatura crtica (CET): Temperatura del metal es

ms baja que la temperatura de funcionamiento o las condiciones

atmosfricas.

Recipientes a presin: la ms baja temperatura a la cul un

esfuerzo primario es mayor que 55.2 MPa (8ksi)

Tanques: El valor ms bajo de la temperatura ambiente promedio

de un periodo T + 8C o la temperatura del ensayo hidrosttico

Temperatura Mnima Permisible (MAT): el lmite inferior de la

temperatura permisible del metal basado en la resistencia a la

fractura frgil


Requerimientos de Informacin :

Datos Originales de diseo

Histrico de Mantenimiento / operacin (CET)

Presin temperatura , considerando condiciones

ambientales , de proceso y parada

Medidas de espesores de pared del recipiente

45


Tcnicas de Evaluacin y Criterios de

aceptacin:

Tres Niveles de Evaluacin

Nivel 1

Nivel 2

Nivel 3


Nivel 1 Evaluacin d Recipientes a Presin

Para equipos que satisfacen los requerimientos de tenacidad

bajo norma, slo se requiere la revisin de los registros

CET (Critical Exposure Temperature) MAT (Minimum Allowable Temperature), No se requiere mas evaluacin

MAT puede ser determinado por medio del ensayo de impacto

Carcaza, cabezales, etc. deben ser tratados como componentes

separados

Excepcin si esta por debajo de la curva a 17C y si el equipo

tiene PWHT ((Post Weld Heat Treatment) y t 38 mm. La temperatura lmite es -48C

Nivel 1 Evaluacin de Tanques

Tanques atmosfricos de acuerdo con API 650 deben cumplir

con requisitos como se ilustra

tanques a bajas presiones son evaluados como recipientes a

presin

Tanques conteniendo productos refrigerados usar evaluacin

Nivel 3

46



Nivel 2: Evaluacin de recipientes a presin

Los recipientes a presin pueden estar exentos de una nueva

evaluacin en este nivel si se puede demostrar que la presin y

temperatura se encuentra dentro del rango de seguridad con

respecto al esfuerzo de diseo y MAT. El recipiente podr ser

calificado para su continuidad en servicio sobre la base de un ensayo

hidrosttico.

Recipientes a presin construidos bajo norma ASME Seccin VIII,

Div. 1 o similares con t 12.7 mm pueden considerarse aceptables

para la continuidad del servicio sin una evaluacin posterior.

Nivel 2 evaluacin de tanques

Atmosfricos y L.P. tanques con productos refrigerados necesitan

evaluacin nivel 3

47


Evaluacin de Grietas Pasantes (crack-like flaws)

Nivel 3 de Evaluacin

Requiere un mtodo de evaluacin ms detallado para evaluar

la susceptibilidad a la fractura frgil en trminos de esfuerzo,

tamao del defecto y tenacidad.

El calculo de la tenacidad necesita ser comprobado si las

estimaciones son inciertas

En caso de presencia de grietas requiere una inspeccin ms

detallada

El anlisis de riesgo debe ser el apropiado

Usar la seccin 9: Evaluacin de grietas pasantes

(Assessment of crack-like flaws)

Fenmenos de fatigaFenmenos de fatiga

48

1949 - COMET aircraft

Primer avin jet de pasajeros con un diseo moderno y confortable y

una cabina muy iluminada debido a sus amplias ventanas cuadradas.

Se utiliz una aleacin de aluminio

A principios de 1950 con tan slo 1290 viajes y

un tiempo total de vuelo de 3681 horas se

empezaron a caerse desde 25,000 ft de altura.

L

a

i

n

v

e

s

t

i

g

a

c

i

n

S

i

m

u

l

a

c

i

n

e

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t

i

e

r

r

a

y

r

e

a

l

i

z

acin de

ensayos

de

manera

cclica

Mejor

as en

los

Mejor

as en

los

Comet

Di

se

o I

ns

pe

cc

i

n

M

at

er

ial

es

M j

l C t

L

o

s

r

e

s

u

lt

a

d

o

s

Propagacin de una grieta

por

fatiga a partir de los

huecos

de un remache

49

Boeing 737 -200

de la aerolnea Aloha ,

Maui - Hawaii

luego de 32.000

decolajes se produjo

una fractura por fatiga

del fuselaje, un

muerto

Desembarque en Hawaii, el avin perdi el techo durante un, ciertamente

Dinolvidable y emocionante, vuelo

Fatiga

+

-

mx

Ciclos

min

m

a

Fatiga es el dao introducido a un material por el efecto de la

aplicacin de cargas alternadas o cclicas

El 90% de las fallas en los metales ocurre por Fatiga

La fatiga puede ocurrir por debajo o por encima del lmite

elstico.

La Fatiga tambin puede ocurrir en toda clase de materiales

50

+

-

mx

Ciclos

min

m

a

Esfuerzos en Fatiga

Los esfuerzos cclicos son caracterizados por un mximo, mnimo

=+

Esfuerzo medio m mxmin

Rango del esfuerzo

Amplitud del esfuerzo

2

r= mx min

= = r mxmin

Relacin del esfuerzo

a 2

=

2

R min

mx

Esfuerzos en Fatiga

El ciclo de esfuerzos reales es mucho ms complejo que los mostrados

anteriormente

Las fallas por fatiga son de naturaleza estadstica

Ahora, necesitamos considerar cmo los parmetros de fatiga influencian la

vida en fatiga de un componente

Generalmente las propiedades en Fatiga se

realizan en una maquina de flexin rotativa y los

resultados son presentados en curvas S-N

Lmite de Fatiga: la amplitud mxima de

esfuerzo por debajo del cul el material no

debe fallar

Resistencia a la Fatiga: El esfuerzo al

cul se causa la fatiga al cabo de un

determinado nmero de ciclos Nf = 107

Curvas de Fatiga S N

Aceros al Carbono

Aleaciones de Ti Lmite de

Fatiga

Sys/UTS = 0.4 a 0.5).

Aleaciones base

El nmero total de ciclos a la fractura es la suma del los

ciclos del primer y segundo estado:

Nf = Ni + Np

Nf : Nmero de ciclos a la fractura

Ni : Numero de ciclos para la iniciacin de la grieta

Np :Numero de ciclos para la propagacin de la grieta

S

Resistencia

a Fatiga

a N ciclos

Al, Cu, Ni

NsN

Curvas de Fatiga S N

Adaptado de J.E. Shigley, C.R. Mischke, and R.G. Budynas, Mechanical Engineering

Design, 7th Edition, McGraw-Hill, Boston (2004), p. 314

52

Esfuerzo Vida (S--N) o Deformacin - Vida?

La mayora de datos en fatiga son representados en curvas S-N, esto es tpico

del mtodo esfuerzo vida, lo que es deseable para aplicaciones de alto

ciclaje.

Sin embargo, es necesario implementar las curvas de esfuerzo vida

El mtodo Deformacin vida es ms

aplicable cuando la deformacin plstica

puede ser determinada

Ej: En el rgimen de fatiga plstica

oligociclica


Es conveniente considerar los componentes de la deformacin

elstica y plstica por separado

= elstica+

Plstica

La amplitud de la deformacin elstica es determinada a partir de una

combinacin de Nf y la ley Hooke

Amplitud de la deformacin elstica

Amplitud del esfuerzo aplicado

Coeficiente de resistencia a la fatiga

Exponente de resistencia a la fatiga

53


El componente de la deformacin plstica es descrito por la

ecuacin de Manson-Coffin

Amplitud de la deformacin plstica

Amplitud del esfuerzo aplicado

Coeficiente de ductilidad a la fatiga

Exponente de ductilidad a la fatiga


A altas temperaturas, la ecuacin de

Manson Coffin no funciona porque Nf

decrece con el incremento de la

temperatura. Adicionalmente Nf

depende de la frecuencia del ciclado

54

Fatiga plstica Oligociclca

La amplitud de deformacin es mantenida constante durante el ciclado.

Este comportamiento es a menudo encontrado durante ciclado trmico,

d

temperatura.

t dil t t d bid l fl t i d

Esto es particularmente peligroso cuando un componente es fabricado de

materiales con diferente coeficiente de expansin trmica

Este comportamiento tambin se encuentra cuando un componente es

sometido a flexin invertida entre un desplazamiento fijo.

Las deformaciones plsticas localizadas en las entallas pueden tambin

resultar en condiciones de deformacin controlada. Esto es debido a

desplazamiento constante en la punta de la entalla.

Respuesta de los materiales a deformaciones cclicas

55

Influencia del esfuerzo medio

y la relacin de esfuerzos

sobre la vida en fatiga

La variacin del esfuerzo

medio m y la relacin de

esfuerzos R puede cambiar el

lmite de endurecimiento o

l it d f ti


Efecto del esfuerzo de compresin

sobre la vida en fatiga

La vida en fatiga es mejorada por la

disminucin de los esfuerzos en

traccin

Cuando R se incrementa la vida en

fatiga se incrementa

=

R min

mx

La vida en fatiga es mejorada por el

incremento en los esfuerzos de

compresin

C d m di i

fatiga aumenta

=+

l id

Tomado de Mechanical Metallurgy by George

Dieter

m mxmin

2

56

Ecuaciones empricas que relacionan a y m

= =

= r mxmin R min

a 2 2

=+

mxmin

mx

m 2

La mayora de datos experimentales estn contenidos

entre los valores de Goodman y Gerber. La relacin de

Goodman es la ms conservadora y la ms segura

para propsitos de diseo.

.

Dao acumulado y agotamiento de vida

La mayora de estructuras en ingeniera estn sujetas a una amplitud variable

de carga, como se ilustra en la figura

N1

+

N2

+

N3

+ ... = N

i =

1

N f1 N f 2 N f 3 N i fi

La regla de Palmgren Miner puede ser usada para determinar si o no la vida en

fatiga est agotada

La falla en fatiga es esperada cuando las fracciones de vida son iguales a la

unidad ( Cuando el 100% de la vida en fatiga esta agotada)

Las fallas por fatiga

presentan tres estados

diferentes:

Iniciacin de grieta y propagacin

Estado III

Estado I iniciacin o nucleacin de

la grieta en zonas de alta

concentracin de esfuerzos,

localizadas en la superficie

Estado II Crecimiento o

propagacin estable de la grieta,

Estado III: Ruptura final instantnea

(cuando el rea decrece

Estado II

Estado I

significativamente) From The science and Engineering of Materials 4th edition by D.R. Askeland and P.P. Phule.

Mecanismo de formacin de grietas

Estado I

Nucleacin

De la grieta

Estado II

Intrusiones Propagacin

Y Extrusiones de la grieta

Bandas Bandas de

Persistentes Deslizamiento

58

Mecanismo de propagacin de grietas por fatiga (estado II) por

el cierre y la apertura de la punta de la grieta.

a) Carga de tensin cero

o mxima carga de compresin

d) Carga de compresin pequea

b) Carga de tensin pequea

c) Carga de tensin mxima

e) Carga de tensin cero

o mxima carga de compresin

f) Carga de tensin pequea

Algunas veces este proceso deja una marcas en la superficie de fractura

l amadas marcas de ola (Beachmarks) y/o estriaciones que indican la

posicin de la punta de la grieta en un momento cualalquiera de

proceso de propagacin

From C. Laird, ASTM STP 415.

Mecanismo de formacin de grietas

Estado I: La grieta tiende a crecer

inicialmente a lo largo de planos

cristalogrficos, producidos por

esfuerzos de cizallamiento, en uno o

dos granos y su aspecto es plano

Estado II: se produce una

propagacin rpida perpenticular al

esfuerzo aplicado, la superficie es

rugosa

Estado II: La grieta crece hasta una

dimensin crtica y se propaga muy

rpidamente.

From C. Laird, ASTM STP 415.

59

Propagacin de grietas por Fatiga

El crecimiento de una grieta puede ser expresado como:

C = constante

a = Esfuerzo alterno a = Longitud de la grieta

m = constante 2- 4

n = constante 1 -2

Esta ecuacin puede ser re-escrita en

trminos de esfuerzo total acumulado

C1 = Constante

= Deformacin total m1 = Constante 2- 4

Esta ecuacin es conocida como la ecuacin de Paris.

La cul predice la rata de crecimiento de la grieta en la

regin de crecimiento estable ( Estado II)

Propagacin de grietas por Fatiga

I.- Lmite de no propagacin

II.- Propagacin de la grieta ley

de Paris

III. - Crecimiento inestable de

la grieta

Ley de Paris

60

Factores Controladores de la Fatiga

Benficos

Incrementan la resistencia. Carburizacin

Nitruracin

Endurecimiento superficial.

Trabajado en fro.

Esfuerzos Residuales

Granallado

Roscado en fro

Buen terminado superficial

Electropulido.

Perjudiciales

Reducen la resistencia

Descarburizacin.

Sobrecalentamiento.

Recocido.

Esfuerzos Residuales

Cromado /Niquelado

Mal acabado superficial

Marcas de mecanizado.

CATEGORIAS DE LA FATIGA

Fatiga en componentes sin

grietas La nucleacin de grie controla

fractura

j

Fatiga de alto ciclaje Fatiga con esfuerzos menores al lmite elstico; con > 104 ciclos a la fractura,

Fatiga de estructuras con

grietas Grietas pre- existentes; la fractura

es controlada por la propagacin.

Fatiga de bajo ciclaje Fatiga con esfuerzos mayores

al lmite elstico; con < 104

ciclos a la fractura,

61

TH

TT

TF

0,4

Deformacin permanente dependiente del

Tiempo, que sufren los Metales cuando

estn sometidos a Carga constante y a

una temperatura mayor a 0 4 TF

Ejemplos : Calderas, Hornos de pirolisis, Alabes

de turbina, Recipientes a presin

62

Deformacin permanente

d di t d l Ti

sufren los Metales cuando

estn sometidos a Carga

constante y a una

temperatura mayor a 0,4 TF

Influencia de la temperatura y el esfuerzo sobre la velocidad de

deformacin en Creep

64

Mtodos de extrapolacin

La utilizacin de mtodos de extrapolacin de resultados de fluencia

para largos tiempos asociados a las tcnicas de parametrizacin

Dorn: control de la difusin (Relacin de Arrhenius)

Larson-Miller and Manson Miller and Manson-Haferd: Interaccin entre el

esfuerzo y la energa de activacin

Larson Miller ha adicionado una constante comn obtenida por la intercepcin de

las curvas de esfuerzo

Los parmetros t/T usados para comparar datos a diferentes condiciones o para

diferentes materiales

Representacin del comportamiento en Fluencia de un acero

65

Fluencia

Creep

Mecanismos de Fluencia en materiales cristalinos

Deslizamiento de dislocaciones

(Dislocation Glide)

Fluencia por Dislocaciones

(Dislocation Creep)

Difusin de vacancias

Deslizamiento de los lmites de grano

Deslizamiento de dislocaciones

A bajas temperaturas

las dislocaciones de tornillo pueden

deslizar por activacin trmica y producir una deformacin plstica.

Ocurre a altos esfuerzos

Ej: La superacin de obstculos se realiza por la combinacin de la

temperatura y el esfuerzo.

66

Fluencia por Dislocaciones

El apilamiento de dislocaciones de borde contra un obstculo

puede producir el salto de la dislocacin a otro plano y causar la

deformacin plstica, como f(t) en respuesta a un esfuerzo

La rata que controla esta etapa es la difusin de vacancias

Ej: La superacin de obstculos se realiza por la

combinacin de la temperatura y el esfuerzo.

Fluencia por deslizamiento de contorno de grano

Deslizamiento a lo largo del lmite de grano ayudado por

difusin de vacancias de A a B ..

D li i t d d d d l d

dislocaciones contiguas a los granos A y B

67

Fluencia por Difusin

El mecanismo Difusin de tomos direccionado por el esfuerzo

aplicado ocurre a alta temperatura y bajos esfuerzos y no

i i i t d di l i t l d l

disfusin de vacancias

Fluencia de Nabarro-Herring --- alta T -- Difusin por la red

Fluencia por Difusin

Fluencia de Cobble --- baja T -- Difusin por borde de grano

Mapa de mecanismos de Fluencia

68

Evaluacin de Componentes en rango de Creep

Componentes que operan a T > 0.45 Tm, pueden sufrir deformacin por creep en servicio. Aceros a, T > 450 C pueden

sufrir dao por creep.

El d d b tifi d

El dao a menudo es localizado en reas que pueden ser

identificadas fcilmente si la deformacin esta presente

Dao microestructural en los aceros

Esferoidizacin de la perlita

descarburizacin

Dao por hidrgeno

Formacin de vacos

Estados de esferoidizacin durante el creep de aceros Cr-Mo

69

Esquema de la evolucin tpica del dao en una estructura que trabaja

en el rgimen de fluencia, y su relacin con la curva t

Mecanismos de formacin de vacos

A tensiones de trabajo usuales en estructuras, el agrietamiento por Fluencia en

general es generado por cavitacin intergranular partiendo de inclusiones en los

contornos de grano o los puntos triples (encuentro entre 3 granos), seguido de la

coalescencia de estos vacos.

70


Requerimiento de Informacin

Informacin original de diseo del equipo , especificaciones

de materiales., T, P

Mantenimiento & historia operacional ,informes de

inspeccin, T, P actual y tiempo de operacin

Espesores de pared , entallas & cracks & otros defectos

Observaciones Microstructurales - in situ, replicas, muestras

de lab.


Mtodos de Evaluacin

Dao Acumulativo (Robinsons Rule) evaluacin nivel I para

estimar el dao posible

Cambios dimensionales - estimacin de la deformacin -

curvaturas pueden ser usadas para un anlisis simplificado o

un enfoque ms detallado para un nivel 3

Medidas de dureza como complemento a la metalografa

Metodos metalogrficos

Metalografa de campo - nivel 2 anlisis cuantitativo mtodo of

Neubauer o anlisis ms detallados como parte de un nivel 3

Muestras de laboratorio nivel 3

71

Presin de operacin : 140 Kg/cm2

Temperatura del tubo : 530 C

Dimetro del tubo : 125,7 mm

Espesor : 14,2 mm

Tiempo de servicio : 770000 horas

S= P/2[(Di/t) +1] : 68MPa

Micro grietas producidas

por la coalescencia de

vacos lenticulares

presentes en la posicin

indicada

Anlisis del dao por Creep

Tubera de transferencia de vapor en el primer

estado de supercalentamiento en una caldera

que produce 230 t/h de vapor a 540 oC y a

140 kg/cm2. Tubera anloga rompe despus

Anlisis del dao por Creep

Ensayos acelerados de

Fluencia

Muestra

Tensin

de

Ensayo

S (MPa)

Temp

Ensayo

(C)

Tiempo

Ruptura

(Hr)

Tasa

min de

(Hr -1

1

2

3

4

5

68

68

68

68

68

645

700

620

640

670

116.7 3.2x10-4

5.6 1.8x10-2

511 1.8x10-5

138 4.5x10-4

25.4 7.1x10-3

Vida Residual a 530 C = 835.000 Horas

72

Aceros Ferriticos Cr - Mo

Los aceros al Cr Mo son ampliamente usados en plantas de potencia

e industrias de procesos debido su resistencia tanto temperatura

ambiente como a alta temperatura combinada con una adecuada

tenacidad

Sus propiedades son controladas por su microestructura

la cul a su vez es controlada por el tratamiento trmico

El contenido de Cromo vara de 0,5% a 12% ms un porcentaje mximo Mo de 1%

Otros elementos formadores de carburos como V, Nb, pueden estar presentes

Tamao de Grano

Factores que influencian

el comportamiento

en servicio

Solucin Slida de Endurecimiento

Microestructura

Precipitados

Composicin del acero

Aceros Ferriticos Cr - Mo

TAMAO DE GRANO: El tamao de grano en los Cr-Mo puede ser visto como

una funcin directa de la temperatura de austenizacin desde que los carburos

sean completamente disueltos en la austenita y que la temperatura no sobrepase

l 1000

SOLUCIN SLIDA DE

ENDURECIMIENTO : La disolucin de

los carburos de Cr y Mo durante la

austenizacin y la retencin de esos

elementos en solucin de esos

elementos en solucin despus del

enfriamiento contribuyen a la

resistencia al ambiente y a elevadas

temperaturas y posteriormente con la

precipitacin de carburos.

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ASIGNATURA.INTEGRIDAD.EQUIPOS

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