METALURGICA

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
INGENERIA METALÚRGICA
Bucaramanga
2010
FALLA POR FATIGA TERMICA

DESCRIPCION DE DAÑO

La fatiga térmica es el resultado de ciclos de esfuerzos causados por variación en la temperatura. El daño presenta grietas esto puede ocurrir en ciertos lugares de una componente metalica donde los diferentes movimientos relativos de expansión y contracción bajo repetición del ciclo térmico las ocasionan.

Sufrimiento estructural, o fatiga mecanica, provocada por los cambios térmicos repetitivos a los que se ven sometidos los materiales, los mecanismos y los sistemas en general, cuando estan sometidos a las condiciones de servicio.

Se induce normalmente a temperaturas elevadas debido a tensiones térmicas fluctuantes; no es necesario que estén presentes tensiones mecanicas de origen externo. La causa de estas tensiones térmicas es la restricción a la dilatación y/o contracción que normalmente ocurren en piezas estructurales sometidas a variaciones de temperatura La magnitud de la tensión térmica resultante debido a un cambio de temperatura dt depende del coeficiente de dilatación térmica y del modulo de elasticidad (E).

MATERIALES AFECTADOS.

• Todos los materiales de construcción.
• aceros ingenieriles
• tuberías y ductos para eltransporte de hidrocarburos
• Paredes hornos y calderas

FACTORES CRITICOS

A). El factor clave que afecta la fatiga térmica es la magnitud del ciclo de la temperatura y la frecuencia (números de ciclos).

B). El tiempo de la falla es una función de la magnitud del esfuerzo y el número de ciclos y se ve afectado por la disminución con el incremento del esfuerzo y aumento de los ciclos.

C) El encender y apagar el equipo incrementa la susceptibilidad por fatiga térmica. No hay límite establecido en la temperatura de oscilación; sin embargo, como una regla practica, se supone fractura si la temperatura excede el límite de oscilación de 200°F (93°C).

D).El daño es también promovido por los cambios rapidos en la temperatura de la superficie que resulta en un gradiente térmico atreves del espesor o a lo largo de su longitud. Por ejemplo; el agua fría sobre un tubo caliente puede ocasionar un choque térmico en accesorios rígidos; diferencias de temperaturas bajas causan inflexibilidad para acomodar el diferencial de expansión.

E).Muesca (cordón de 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.

Factores adicionales
- Valor absoluto de la diferencia térmica comprendida entre la temperatura mas baja y la mas alta.
- Límite de temperatura bajo cero.
- Límite de temperatura sobre cero.
- Velocidad de cambio térmico en ascensoy en descenso (gradientes térmicos de calentamiento y enfriamiento).
- Tiempo de permanencia en cada nivel térmico.
- Numero de ciclos repetitivos.
- Esfuerzos dinamicos adicionales en condiciones de uso.
- Composición y naturaleza de los especímenes:
Materiales simples o compuestos, su masa relativa, conductividad térmica, coeficientes de dilatación lineal, punto de reblandecimiento vicat, punto de fusión, punto de congelación, límite elastico, grados de dureza, resistencia al desgaste, resistencia al impacto en frió y en caliente, límite de rotura y deformación a tracción, compresión, flexión, torsión, etc., etc.
- Sistemas y mecanismos formados por materiales de respuesta térmica diferenciada.
EQUIPOS Y UNIDADES AFECTADAS

A). Los ejemplos incluyen combinaciones entre corrientes calientes y frías en localizaciones donde vienen condensadas fases en contacto con sistemas de vapor, pueden ocasionar sobrecalentamiento del equipo.

B) La falla por fatiga térmica fueron el mayor problema en los tambores recubiertos con carbón. La fatiga térmica puede también ocurrir en la falda (lugar donde esta 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. 4-12, fig 4-13).

C) En equipos que generan vapor, los lugares mas comunes son los espesores rígidos entre tuberías cercanas que estan supercalentadas y recalentadas. Lugares de deslizamiento estan diseñados para acomodarserelativamente, el movimiento puede detenerse y actuar como fijaciones rígidas cuando entran en contacto con partículas (polvo) de ceniza.

D) 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 mas comunes en los equipos rígidos donde la expansión del calor relativo puede llegar a ser una grieta en las paredes.

E).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 rapido 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.

APARIENCIA Y MORFOLOGIA DEL DAÑO

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

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

C. En equipos de generación devapor, 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 momentaneo como un resultado de la restricción, seran desarrollados dentro de las fracturas circunferenciales dentro del tubo.

D). El agua de los sopladores de hollín puede conducir a un patrón de agrietamiento. Las fracturas predominantes seran circunferenciales y la fractura menor sera axial.

PREVENCION/MITIGACION

A) 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.

I) este diseño incorporado reduce los esfuerzos de concentración en mezcla de molienda para los perfiles de soldadura y se deben utilizar transiciones suaves.

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

III) El diferencial de expansión térmica entre la adhesión de componentes de diferente material debería ser considerado.

B) los diseños deberían incorporar suficiente flexibilidad para acomodar el diferencial de expansión térmica.

I) En equipos de generación de vapor, el espacio de deslizamiento debe deslizarce y la formación de lugares rígidos se deben evitar.

II) Las líneas de drenaje con Hollin-esparcido deberían prevenir la condensación de laprimera porción del ciclo de Hollin-esparcido.

C) en algunos casos, una línea o enchufe puede ser instalada para prevenir un enfriamiento del líquido desde el contacto con la presión caliente en el límite de la pared.

Una manera de obvia de prevenir este tipo de fatiga es eliminar, o por lo menos reducir, la fuente de restricciones, permitiendo así 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 camaras 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

BIBLIOGRAFIA
1. Steam – Its Generation and Use 40th Edition, Babcock y Wilcox, 1992
2. Combustion fossil power Systems, Third Edition, Combustion Engineering, CT.1981
3. H.Thielsch, Defects and Failures In Pressure Vessels and Piping, Krieger Publishing Co., NY, 1977.