2011 CORROSIÓN POR FATIGA
ANDRES FELIPE CRUZ BECERRA JUAN DIEGO SERRANO LEÓN JULIAN MAURICIO VESGA SALAMANCA
Universidad Industrial Industrial de Santander 26/04/2011
2. OBJETIVOS
General:
El presente trabajo tiene como objetivo principal conocer y comprender uno de los mecanismos de daño más importantes en los materiales como lo es la corrosión por fatiga, sus causas, sus variables y sus posibles métodos de prevención e inspección.
Específicos:
Interpretar de forma adecuada la norma API 571, analizando la sección correspondiente al tema de estudio. Identificar las características principales que ocasionan la corrosión por fatiga. Relacionar los estudios realizados, con la teoría adecuada para interpretar los mecanismos que rigen este tipo de falla.
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INTRODUCCIÓN
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En la aplicación industrial la integridad de equipos es una filosofía de trabajo, la cual se basa en conceptos teóricos de ingeniería para prever, mitigar y hacer análisis de inspección de daños en unidades de trabajo vitales para la producción o funcionamiento de una planta, mediante la implementación de sistemas o herramientas que corroboren la inspección y control de estos daños, para aportar un mayor grado de confiabilidad y seguridad respecto a la capacidad operacional de los equipos y de así pronosticar daños próximos que afecten la integridad personal, el medio ambiente y la planta como tal. A la hora de realizar un inspección de equipos es necesario poseer un conocimiento de las normas que rigen la forma en la que puedo encontrar de una manera más eficaz y rápida situaciones criticas en las cuales hay mayor posibilidad de que la falla se presente y así intervenir de forma segura, analizar, evaluar e informar a cerca de los posibles daños que puedan generar una pérdida de todo tipo.
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CORROSIÓN POR FATIG A
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DESCRIPCION DEL DAÑO
Se presenta agrietamiento por el efecto combinado entre fatiga (cargas cíclicas) y corrosión. Este se da en los sitios donde hay concentradores de esfuerzos como entallas u orificios.
MATERIALES AFECTADOS.
Metales y aleación.
FACTORES CRITICOS
UNIDADES O EQUIPOS AFECTADOS
Tipo de material, ambiente corrosivo, tensiones cíclicas y concentradores de esfuerzos Las grietas se dan con mayor facilidad en ambientes donde se promueva la corrosión localizada bajo esfuerzos cíclicos debido al estrés térmico. La corrosión promueve la falla del material a esfuerzos menores y menor número de ciclos. El agrietamiento inicia en lugares donde hay concentradores de esfuerzos como picaduras, entallas defectos de superficie, o soldadura de filete. Equipos rotativos. La cupla galvánica entre el eje de la bomba y el impulsor, la corrosión puede provocar picaduras en el eje, la cual puede actuar como concentrador de esfuerzos lo cual promueve fisuración. Para estos equipos las grietas formadas son de tipo transgranular con pocas ramificaciones. De sair eador e s. Utilizados en la industria de papel, celulosa, petroquímica y de combustibles. Principalmente se debe a la soldadura, formación de tensiones residuales, canalizaciones verticales en el ambiente corrosivo dado. Calde ras cíclicas. Debido a los cambios de temperatura que sufre la caldera, el metal o aleación de constitución tiende a dilatarse y contraerse en los ciclos de encendido de la caldera. Debido a estas dilataciones cíclicas se generan
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esfuerzos cíclicos en el metal, que con la acción de un ambiente corrosivo de la caldera, tiende a formar agrietamientos.
APARIENCIA Y MORFOLOGIA DEL DAÑO.
La fractura por fatiga es frágil y el agrietamiento es transgranular, como en la corrosión bajo tensión, pero sin ramificaciones y con frecuencia resulta en la propagación de múltiples grietas paralelas. El agrietamiento por fatiga será evidenciado por pequeñas deformaciones plásticas, con excepción de que la fractura pueda ocurrir por sobrecarga mecánica acompañada de una pequeña deformación plástica. En las calderas cíclicas, el daño suele aparecer primeramente en lugares cercanos entre el bockstay y la corriente de agua. El patrón de grieta puede ser circular rodeando la soldadura entre el bockstay y el waterwall tube. En ambientes sulfurados las grietas tendrá una apariencia similar, pero serán tapadas con una escala de sulfuros. En equipos rotativos el agrietamiento es transgranular y de mínimas ramificaciones.
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Equipos rotativos.
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PREVENCION Y MITIGACION -
Controlar el ambiente corrosivo mediante uso de revestimientos e inhibidores. Minimizar los efectos del par galvánico. Usar materiales resistentes a la corrosión. De sair eador e s. Control químico adecuado del agua de alimentación y condensada. Minimizar la soldadura de refuerzo, afilando los contornos de soldadura suave. Minimizar residuos de soldadura y fabricación de tensiones residuales a través PWHT (Tratamiento térmico después de la soldadura). Calde ra cíclica.
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Poner en marcha lentamente para minimizar las tensiones de expansión diferencial. Tener un control adecuado de la química del agua de la caldera. Equipo rotacional.
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Ensayo de ultrasonido y ensayo de partículas magnéticas puede ser usado en la detección de grietas. De sair eador e s.
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INSPECCION Y MONITOREO
El agrietamiento es generalmente detectado con ensayo de partículas magnéticas húmedas fluorescentes Muchas de las grietas son muy ajustadas y difíciles de detectar. Calde ras cíclicas.
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El primer signo de daño es usualmente un orificio de fuga sobre el lado frio del tubo de la caldera. Inspeccionar las regiones altamente estresadas en la caldera por ensayo de ultrasonido (UT) y transductor acústico electromagnético (EMATS). El agrietamiento puede ocurrir en las membranas d la región altamente estresadas y sobre todo en las esquinas.
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DEFINICION DE CORROSIÓN: Es la destrucción o deterioro de un material causado por su reacción química con el ambiente. La corrosión de metales se define como el ataque destructivo químico no intencional de un metal; se produce por mecanismo electroquímico y por lo común se inicia sobre la superficie. La corrosión puede ser rápida o lenta. Un acero inoxidable es atacado en horas por algunos ácidos (corrosión rápida). Mientras que los rieles del ferrocarril tienen corrosión muy lenta (nos referimos a años). Muchos ambientes son corrosivos, y diferentes: aire y humedad, agua salada, atmósfera urbana, industrial y aún rural, vapor de agua y otros gases, como amoníaco, dióxido de sulfuro, vapores de combustibles, suelos, solventes, petróleo y sus derivados, productos alimenticios, etc. En general, de estos ambientes podemos decir que las substancias inorgánicas son más corrosivas que las orgánicas. Desde el punto de vista de la mecánica de materiales, la corrosión tiene algunos efectos directos como reducción del espesor efectivo del material, microfisuración y cambios en fisuración, cambios en la resistencia a fatiga, concentración de esfuerzos etc. Las formas de corrosión más comunes son: corrosión uniforme, galvánica o bimetálica, corrosión localizada, corrosión por picaduras, corrosión transgranular, corrosión por aireación diferencial, corrosión
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selectiva, por erosión, corrosión-erosión, corrosión bajo tensión, corrosión con fatiga, que es sobre la que profundizaremos en este estudio.
CORROSIÓN CON FATIGA: El fenómeno de fatiga es aquel que tiene lugar cuando tenemos ciclos de tensión en el tiempo. Generando variaciones entre ciclos de tracción y compresión para la misma pieza. Cuando la fatiga es con corrosión, se produce la reducción de la resistencia a fatiga debido a la presencia de un medio corrosivo, siendo así el número de ciclos de vida menor, por el medio presente. La corrosión por fatiga, es una forma especial del tipo de corrosión de fractura por tensión y se presenta en ausencia de medios corrosivos, debido a esfuerzos cíclicos repetidos. Estas fallas son muy comunes en estructuras sometidas a vibración continua.
La corrosión por fatiga, se incrementa naturalmente con la presencia de un medio agresivo, de tal forma que el esfuerzo necesario para producir la corrosión
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por fatiga, se reduce en algunas ocasiones hasta la mitad del necesario, para producir la falla en aire seco. Los métodos para evitar la corrosión por fatiga, necesitan prevenir la fractura producida por ésta desde el principio, ya que es muy difícil detener la propagación de las fracturas, una vez que se inician. De lo indicado anteriormente, se ve la necesidad de reconocer en primer lugar, las diferentes formas en las que se presenta la corrosión para así tomar medidas pertinentes que permitan establecer los métodos correctivos para atenuarla, los cuales son mejor comprendidos si se conoce la teoría de la corrosión. La corrosión por fatiga es otro de los riesgos que han de ser eliminados. Casi todos los metales y aleaciones, incluso el acero austenítico inoxidable, pueden fallar al agrietarse o quebrarse debido a la corrosión por fatiga en condiciones que impliquen esfuerzos aplicados o tensiones residuales combinadas con agentes ligeramente corrosivos. Las soluciones de cloruro son de lo más perjudicial al provocar el agrietamiento de los aceros inoxidables austeníticos. Tendrá mucha influencia la frecuencia de ciclos de tensiones, teniendo más importancia esta influencia cuando las frecuencias son bajas, pues se consigue más tiempo para que actúe la corrosión, debido al mayor tiempo de contacto con el agente corrosivo. Se cree que la resistencia a la fatiga se reduce por el agente corrosivo ya que los pequeños agujeros originados en la corrosión producen concentración de tensiones. La falla es de tipo transgranular (por dentro de granos) y no se muestran ramificaciones, las cuales, son características de fisuras que progresan entre bordes de granos del material. Las etapas finales de fatiga con corrosión son iguales a las de fatiga porque ese proceso es mecánico y no incide el agente corrosivo. También puede ir acompañado de ataques de picado.
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Por otra parte, son muy susceptibles a la fatiga con corrosión las piezas que han estado sometidas a un fuerte trabajo en frío, pero el acero recocido puede también agrietarse cuando se le somete a condiciones difíciles. Es más fácil que el agrietamiento se produzca en soluciones calientes que en las frías. Por ello en la industria, a la hora de diseño y dimensionamiento de ciertas piezas se debe tener en consideración este fenómeno, así por ejemplo, atendiendo al coeficiente de seguridad para diseño en piezas agrietadas es:
Cs
Kic !
Ki
Kic: el factor crítico de intensidad de tensiones. Ki: factor de intensidad de tensiones. En el cálculo para mecánica lineal de fractura se cambiará Kic por otro valor KicSCC que tome en cuenta que la corrosión reducirá la resistencia del material.
PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN Un método para evitar la corrosión, es el de aislar la estructura metálica del medio corrosivo mediante un recubrimiento aislante o más estable, ante dicho medio, que el metal base. Estos tipos de protección se llaman protección pasiva. En la industria moderna, se usan muchos tipos de recubrimientos aislantes: resinas, asfalto, pinturas vinílicas, epoxi, al clorocaucho, etc. En todas ellas los valores de resistividad, flexibilidad, adherencia, punto de reblandecimiento, poder de absorción del agua, etc., juegan un papel importante en la selección de esta clase de protección.
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La protección pasiva es el sistema por el cual un metal se recubre por otro de mayor resistencia a la corrosión, o capaz de pasivarse fácilmente ante el medio que le rodea. Hay muchos métodos de lograrlo: electrolíticamente, por inmersión, por aspersión, etc. Para elegir el metal y método de recubrimiento, se han de tener en cuenta una serie de factores, entre los que son de considerar la porosidad del material de aportación y su comportamiento electroquímico frente al metal base. Otro método de protección anticorrosiva, el más importante, es la protección catódica. Esta se efectúa, convirtiendo la estructura metálica a proteger en el cátodo de una pila galvánica o circuito eléctrico. Esto lo haremos recurriendo a la serie electroquímica de los metales y escogiendo para actuar como ánodo un metal más electronegativo que el que tratamos de proteger (protección por ánodos de sacrificio) o bien conectando la estructura al polo negativo de un generador de corriente continua, cuyo polo positivo introducimos en el electrolito en cuestión (protección por corriente impresa), mediante un ánodo que generalmente no se disuelve o sufre una disolución muy lenta. Con este método podemos comunicar a la estructura a proteger una tensión controlable en cualquier momento de la vida de la instalación. En la protección por ánodos de sacrificio, la corriente polarizante, la suministran los Ánodos que se desgastan en beneficio de la estructura (Cátodo) que permanece inalterable. Son diversos los materiales utilizados por Ánodos de Sacrificio, sin embargo, las aleaciones de Magnesio, Zinc y Aluminio son las más corrientes. El Magnesio sin alear no puede utilizarse en sistemas de protección catódica en agua de mar, debido a su rápido deterioro, aunque sí se emplean algunas de sus aleaciones. También se usan ciertas aleaciones de Aluminio, pero los Ánodos de Sacrificio más utilizados son los de Zinc, que no es necesario controlar y que, además, suministran una corriente continua y eficiente. Un imperante de este tipo de Ánodos es la pureza del metal base; la composición debe de estar acorde con las especificaciones que actualmente hay al respecto. Otras maneras de protección están relacionadas con el diseño como por ejemplo: Minimizar o eliminar las cargas de fatiga, diseño adecuado de las piezas (sobre todo en las zonas de estrechamientos), evitar cambios bruscos de tensión, temperatura o presión, evitar tensiones internas, etc.
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CONCLUSIONES
La corrosión por fatiga está causada en áreas o piezas que están sometidas a cargas alternadas de tracción o compresión lo cual produce la aparición de grietas o fisuras superficiales que están abiertas a la oxidación.
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La corrosión por fatiga es uno de los riesgos que han de ser eliminados. Casi todos los metales y aleaciones, incluso el acero austenítico inoxidable, pueden fallar al agrietarse o quebrarse debido a la corrosión por fatiga en condiciones que impliquen esfuerzos aplicados o tensiones residuales combinadas con agentes ligeramente corrosivos.
Unos de los métodos de prevención mas recomendados de la corrosión por fatiga consisten en la reducción de los niveles de tensión a través de un recocido del material, aumentar la sección de la pieza o reducción de la carga aplicada y Eliminar los agentes críticos del ambiente.
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BIBLIOGR AFÍA
NORMA TÉCNICA: American Petroleum Institute API 571 ² Damage Mechanisms Aff ecting Fixed Equipment in the Refining Industry.
Sección: 4.5.2 - Corrosión Fatigue
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http://www.uprm.edu/civil/ ´Mecánica avanzada de Materiales ´
http://www.gef.es/ ´Corrosión bajo tensión estado actual del conocimientoµ (Congresos)
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http://www2.uca.es/grup-invest/corrosion/curso/TemaXXII/index.htm
http://www.textoscientificos.com/quimica/corrosion/acero-inoxidable
Aviles R. ´Análisis de Fatiga en Máquinasµ, Thomson, 2005. González J.A Teoría y práctica de la lucha contra la corrosión. Ed. CSIC. 1984
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