Estudio de la fatiga térmica según la norma API 571 RP (2003).

PRESENTADO POR:

CARLOS ANDRÉS GALÁN

PRESENTADO A: IVAN URIBE PEREZ Ing. Metalúrgico UIS

GRUPO: A1

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUÍMICAS

ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES BUCARAMANGA

INTRODUCCIÓN

Antes de recurrir al estudio de la norma es preciso hacer una revisión bibliográfica sobre el tema para facilitar la comprensión de la fatiga térmica en los materiales, George Dieter en su libro de metalurgia mecánica destina un capitulo para el estudio de la fatiga donde se incluye el estudio de la fatiga térmica definida como la fatiga mecánica provocada por los cambios térmicos repetitivos a los que se ven sometidos los materiales, los mecanismos y los sistemas en general en sus condiciones de servicio.

Estudiaremos primero el efecto de la temperatura en la fatiga de los materiales, entendiéndose este como el proceso de someter el metal a fatiga a baja o a alta temperatura, seguidamente estudiaremos el fenómeno denominado fatiga térmica ocasionada por el cambio térmico de una pieza en servicio.

EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA FATIGA

Fatiga a temperaturas bajas.

Los ensayos de los metales a fatiga a temperaturas inferiores a la temperatura ambiente muestran que la resistencia a la fatiga aumenta con el descenso de la temperatura. Los aceros se hacen más sensibles a la entalla a temperatura baja.

Fatiga a temperatura elevada.

La resistencia a la fatiga de los metales a alta temperatura disminuye al aumentar la temperatura por encima de la ambiente. Cuando la temperatura se eleva muy por encima de la ambiente, va adquiriendo más importancia la fluencia lenta (creep). El transito del fallo por fatiga al fallo por fluencia lenta, con el aumento de temperatura, acarrea una variación del tipo de fractura, pasando de ser intercristalina usual de la fluencia lenta en lugar de la transcristalina típica de la fatiga.

Cuanto mas elevada es la resistencia a la fluencia lenta de un metal, mayor suele ser su resistencia a la fatiga a temperatura elevada, pero los tratamientos metalúrgicos que conducen a las mejores propiedades de fatiga no proporcionan necesariamente las mejores características en ensayos de fluencia lenta por tensionado hasta la rotura. Toolin y Mochel lo demostraron en ensayos de temperatura elevada. A temperaturas bajas, el tamaño de grano fino es beneficiado para la resistencia a la fatiga, pero al elevarse la temperatura donde predomina la fluencia lenta, es mejor la resistencia de los materiales de grano basto.

FATIGA TERMICA.

Los anteriores casos de fatiga a baja y alta temperatura se estudiaron para conocer el comportamiento de los metales sometidos a fatiga en esas condiciones, se estudiaron debido a que son conceptos básicos que facilitan el entendimiento del fenómeno de la fatiga térmica. La fatiga térmica se da por las tensiones que se producen debido a la fluctuación de temperatura, generándose en algunos casos choque térmico.

Las tensiones de origen térmico se producen cuando ocurre de alguna manera el cambio de dimensiones de una pieza resultante de la variación de la temperatura. Para el caso sencillo de una barra fija en sus extremos, la tensión de origen térmico que se produce por una variación de temperatura es

1)

σ: es el coeficiente de dilatación lineal

E: modulo elástico si el fallo se produce por una aplicación de la tensión de origen térmico. Esta condición suele llamarse choque térmico, pero si el fallo ocurre por aplicaciones repetidas de tensiones de origen térmico, se suele utilizar la expresión fatiga térmica. En los equipos para temperaturas elevadas se presentan frecuentemente las condiciones necesarias para el fallo por fatiga térmica. El acero inoxidable austenítico es un material particularmente sensible a este fenómeno porque su conductividad térmica es baja y su coeficiente de dilatación es elevado. La tendencia a la fatiga térmica esta relacionada con el parámetro

2)

σ f es la resistencia a la fatiga a la temperatura media

K: conductividad térmica

Un valor elevado de este parámetro indica buena resistencia a la fatiga térmica.

ASPECTOS MACROSCÓPICOS DEL DAÑO POR FATIGA TÉRMICA:

Esfuerzos residuales:

Cuando se trata de un material de dos fases, donde las fases tienen distinta expansión térmica, el cambio de temperatura produce un desajuste en la deformación y en los esfuerzos térmicos entre las dos fases, los cuales pueden ser muy complejos. Este tipo de esfuerzos residuales afectan la aparente expansión térmica y pueden causar una alteración en el relieve de la superficie.

Durante los cambios de temperatura a los que se somete el material se producen esfuerzos residuales.

Las deformaciones elevadas en la superficie dan lugar a una rápida propagación de grietas en una multitud de sitios de iniciación. Las grietas se inician y crecen igualmente en todas direcciones formando una red semejante a un mosaico, las grietas relajan los esfuerzos perpendiculares al plano de ellas, de tal manera que las nuevas grietas se encuentran con las viejas en un ángulo de 90º. Un patrón típico de grietas por fatiga térmica se muestra en la fig.10.24.

Fig.1- Patrón típico con aspecto de mosaico formado por grietas por fatiga térmica. (Reproducido con autorización del Dr. I. V irkkunen, Helsinki University of Technology, Department of Mechanical Engineering , Helsinki, Finland).

ESTUDIO DE LA FATIGA TÉRMICA SEGÚN LA NORMA API 571 RP (2003).

Descripción del daño : La fatiga térmica es el resultado de las tensiones cíclicas causado por las diferencias de temperatura. El daño se presenta en forma de agrietamiento que puede ocurrir en cualquier lugar de un componente metálico donde el respectivo movimiento o expansión diferencial es restringido, particularmente bajo ciclos térmicos repetidos.

Este tipo de daño afecta a todos los materiales de construcción equipos y sistemas en general como aceros ingenieriles, tuberías y ductos para el transporte de hidrocarburos, Paredes de hornos y calderas.

Factores críticos.

1. Los factores clave que afectan la fatiga térmica son la magnitud de la fluctuación de la temperatura y la frecuencia o el numero de ciclos con que se da dicho cambio.

2. El tiempo de fallo es una función de la magnitud de la tensión, del número de ciclos. El tiempo de fallo disminuye al aumentar el esfuerzo y al aumentar el número de ciclos.

3. El inicio y apagado de los equipos aumentan la susceptibilidad a la fatiga térmica. No hay límite establecido en los cambios de temperatura, sin embargo, como una regla práctica, el agrietamiento se puede sospechar si la temperatura oscilación superior a 93°C.

4. Los daños también ocurren por los cambios rápidos en la temperatura de la superficie que dan lugar a un gradiente térmico a través del espesor o a lo largo de la longitud de un componente. Por ejemplo: agua fría en un tubo caliente (choque térmico)

5. Las muescas (tal como la punta de una soldadura) y en las esquinas fuertes (tal como la intersección de una boquilla con un depósito del recipiente) y otras concentraciones de esfuerzos pueden servir para los sitios de iniciación.

UNIDADES AFECTADAS O EQUIPOS

1. Los ejemplos incluyen los puntos de mezcla de las corrientes calientes y frías como las ubicaciones donde el condensado entra en contacto con los sistemas de vapor, pueden ocasionar sobrecalentamiento del equipo (fig. 4-11.)

Figura 4-11. Grietas de fatiga térmica en el interior de unos tubos de aguas, tubería de un enfriador de inyección H2 en una línea de hidrocarburo caliente.

2. La falla por fatiga térmica es el mayor problema en los tambores recubiertos con carbón. La fatiga térmica puede también ocurrir en la falda (lugar donde está conectado el cilindro con la base) de un tambor en donde los esfuerzos son promovidos por una variación de la temperatura en el tambor y la falda (fig. 4-13)

Figura 4-13. Agrietamiento por fatiga térmica

3. C) En equipos que generan vapor, los lugares más comunes son los espesores rígidos entre tuberías cercanas que están supercalentadas y recalentadas.

4. Los lugares de deslizamiento están diseñados para acomodarse relativamente, el movimiento puede detenerse y actuar como fijaciones rígidas cuando entran en contacto con partículas (polvo) de ceniza.

5. las altas temperaturas de recalentamiento o supercalentamiento penetran a través de las paredes de los tubos de refrigeración y pueden dañarse por el calor si la tubería no es lo suficientemente flexible. Estos daños son más comunes en los equipos rígidos donde la expansión del calor relativo puede llegar a ser una grieta en las paredes.

6. El vapor actúa soplando hollín (Sustancia grasa y negra depositada por el humo) puede causar daño por fatiga térmica si el primer vapor que sale del hollín soplado por la boquilla esta condensado. El enfriamiento rápido de la tubería por el agua líquida promueve esta forma de daño. Similarmente el agua que entra o el agua de doble flujo que se usa sobre paredes de tuberías puede tener el mismo efecto.

ASPECTO Y MORFOLOGÍA DE LOS DAÑOS

1. la falla por fatiga térmica usualmente es iniciada en la superficie de los componentes. Ellos son generalmente extensos y frecuentemente están llenos con óxidos gracias a las elevadas temperaturas expuestas. Las fallas se pueden convertir en simples o múltiples fracturas.

2. Las fracturas por fatiga térmica se propagan transversal al esfuerzo y ellos son usualmente en forma de dagas y transgranular . Sin embargo, la fractura puede ser axial o circunferencial, o ambas, en el mismo lugar.

3. En equipos de generación de vapor, se fractura usualmente siguiendo el cordón de soldadura, como el cambio en el espesor de la sección creando esfuerzos remanente. Las fracturas a menudo comienzan en el fin de una adhesión y si hay un doblamiento momentáneo como un resultado de la restricción, serán desarrollados dentro de las fracturas circunferenciales dentro del tubo

4. El agua de los sopladores de hollín puede conducir a un patrón de agrietamiento. Las fracturas predominantes serán circunferenciales y la fractura menor será axial.

PREVENCION Y MITIGACION

1. La fatiga térmica es mejor prevenirla atreves del diseño y minimizando la operación de esfuerzos térmicos y ciclos térmicos. Los métodos severos de prevención aplican dependiendo en donde se deben utilizar.

A. Los diseños que incorporen la reducción de los concentradores de esfuerzos,

B. Expansión térmica diferencial entre componentes adyacentes de materiales diferentes deben ser considerados.

C. La tasa que controla el calentamiento durante el encendido y apagado del equipo puede reducir esfuerzos.

2. Los diseños deben incorporar suficiente flexibilidad para acomodar la expansión diferencial.

A. En el equipo de producción de vapor, el espacio de deslizamiento deben cumplir su función y la formación de lugares rígidos se deben evitar.

B. Las líneas de drenaje deben ser proporcionadas en los sopladores de hollín para evitar condensado en la primera porción del ciclo de soplado de hollín.

3. En algunos casos, un forro o funda puede ser instalado para evitar que un líquido más frío entre en contacto con la presión caliente en el límite de la pared.

4. Una manera de prevenir este tipo de fatiga es eliminar, o por lo menos reducir, las restricciones. Esto permite que los cambios dimensionales producidos por la variación de la temperatura ocurran sin impedimentos o bien eligiendo materiales con propiedades físicas apropiadas.

INSPECCION Y MONITOREO

A. desde la superficie la falla es usualmente conectada, una exanimación visual, MT y PT son métodos efectivos de inspección.

B. Una inspección externa de SWUT puede ser usada para una inspección no intrusiva interna de falla y donde se refuerzan con cámaras de prevención examinando adicionalmente la boquilla.

C. Las paredes duras internas de un reactor unido por soldadura pueden ser inspeccionadas usando técnicas de ultrasonido.

MECANISMOS RELACIONADOS

Fatiga por corrosión (ver 4.5.2) y falla por soldadura en diferentes metales (ver 4.2.12)

BIBLOGRAFIA

DITER. George, metalurgia mecánica. Editorial McGraw Hill 1988

Norma API 571 RP (2003)