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.
Comportamiento y Aptitud en servicio
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
Comportamiento y Aptitud en servicio
Perodos de vida de un equipo
Comportamiento y Aptitud en servicio
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
Comportamiento y Aptitud en servicio
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
Comportamiento y Aptitud en servicio
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
La determinacin del comportamiento y de la aptitud de servicio
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
La determinacin del comportamiento y de la aptitud de servicio
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
Evaluacin Ingenieril de la Aptitud en servicio
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
Evaluacin Ingenieril de la Aptitud en servicio
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.
Evaluacin Ingenieril de la Aptitud en servicio
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
Evaluacin Ingenieril de la Aptitud en servicio
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
Evaluacin Ingenieril de la Aptitud en servicio
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)
Criterios de aceptacin
Esfuerzo permitido (Allowable stress)
Factor de esfuerzo remanente (Remaining strength factor)
Diagrama de evaluacin de Falla (Failure assessment diagram)
15
Evaluacin Ingenieril de la Aptitud en servicio
Criterios de aceptacin
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
Evaluacin Ingenieril de la Aptitud en servicio
Criterios de aceptacin
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
Evaluacin Ingenieril de la Aptitud en servicio
Criterios de aceptacin
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
Evaluacin Ingenieril de la Aptitud en servicio
Criterios de aceptacin
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
Diagrama de Evaluacin de Falla (FAD)
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
Tcnica de inspeccin/
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
Tcnica de inspeccin/
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
Tcnica de inspeccin/
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
31
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
32
EJEMPLO 1 : raya superficial
Mecnica de la ruptura
EJEMPLO 2 : Orificio
F = 72 kN 2r = 50mm
W = 250 mm e = 5mm
Mecnica de la ruptura
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
Mecnica de la ruptura
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
Mecnica de la ruptura
Teora de Griffith (1920)
Para la Ruptura es necesario qu:
y
=
f. (
a
r
)
mx
Factor de
concentracin
de esfuerzos
34
Consecuencia de la dctilidad
Una deformacin plstica
importante acompaa la
propagacin de la grieta
Ecuacin Griffith Orowan
W 0
Mecnica de la ruptura
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
Diagrama de Evaluacin de Falla (FAD)
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
37
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
Fractura y Tenacidad
Fractura y Tenacidad
= /
(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.
Tcnica de inspeccin/
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
Evaluacin de la Fractura Frgil
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
Evaluacin de 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
Evaluacin de la Fractura Frgil
Tcnicas de Evaluacin y Criterios de
aceptacin:
Tres Niveles de Evaluacin
Nivel 1
Nivel 2
Nivel 3
Evaluacin de la Fractura Frgil
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
Evaluacin de la Fractura Frgil
Evaluacin de la Fractura Frgil
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 la Fractura Frgil
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
n
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
51
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
Esfuerzo Vida (S--N) o Deformacin - Vida?
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
Esfuerzo Vida (S--N) o Deformacin - Vida?
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
Esfuerzo Vida (S--N) o Deformacin - Vida?
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
Esfuerzo Vida (S--N) o Deformacin - Vida?
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)
57
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
63
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
Evaluacin de Componentes en rango de Creep
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.
Evaluacin de Componentes en rango de Creep
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.
73