STICO-PLÁSTICOS DE UN DUCTO PARA LA CORRECCIÓN N DE LA MEDICIÓN N DE ESFUERZOS RESIDUALES EN EL RANGO PLÁSTICO

Transcripción

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2 -PLÁSTICOS DE UN DUCTO PARA LA CORRECCIÓN DE LA MEDICIÓN DE ESFUERZOS RESIDUALES EN EL Oscar Dorantes 1, Antonio Carnero 1, Alberto López 2, Ernesto Neri 2, Nairoby García 2 1 Gerencia de Turbomaquinaria 2 Gerencia de Ingeniería Civil San Miguel de Allende, Gto. del

3 ANTECEDENTES Como parte del estudio para establecer el estado actual de esfuerzos en un sistema de tuberías, se han realizado mediciones de los esfuerzos actuantes en la tubería mediante el método del barreno, el cuál está definido en la norma ASTM E837. Este método consiste básicamente en medir las deformaciones asociadas a la relajación de esfuerzos que se da a lo largo de la frontera de un pequeño barreno que se hace en el material, y posteriormente, mediante la aplicación de las leyes constitutivas del material, se pueden traducir en esfuerzos.

4 ANTECEDENTES El método del barreno empleado para la medición de deformaciones y esfuerzos, tal como está desarrollado hasta la fecha, es aplicable solamente en el intervalo elástico del material. Por lo tanto, no es posible determinar con precisión el valor de las deformaciones medidas en el intervalo plástico, ni la capacidad de deformación restante en el material. Por tal motivo, se han realizado estudios mediante modelos de elementos finitos con ANSYS con la finalidad de poder corregir las mediciones realizadas cuando el material ya ha rebasado el límite elástico.

5 Modelo de elementos finitos de una sección del ducto BARRENO DIRECCIÓN DE LA CARGA

6 Detalle del barreno en la superficie exterior del tubo

7 Detalle del barreno en la superficie exterior del tubo (Detalle de las rosetas) 0º 45º 90º

8 Curva Típica de Esfuerzo-Deformación ESFUERZO Punto de cedencia Límite proporcional Deformación plástica DEFORMACIÓN

9 Gráfica esfuerzo deformación del acero según norma ASTM A53 B 450 ESFUERZO (MPa) , , DEFORM ACIÓN (ε) Opción de comportamiento plástico: Multilinear Isotropic Hardening (MISO). E = 200 GPa σ y = 240 MPa

10 Casos analizados Se corrieron los siguientes casos, en un modelo con barreno y en otro sin barreno Anális is P lás tico de un s egmento de tubo ANÁLISIS PARAMETROS BASE RESULTADO ESPERADO L [m] δ [m] με , , , , , , ,305

11 Esfuerzos Z (SZ) en una sección del ducto en modelo sin barreno y con desplazamientos aplicados de m Zona Elástica

12 Esfuerzos Z (SZ) en una sección del ducto en modelo sin barreno y con desplazamientos aplicados de m (Detalle de las rosetas) Zona Elástica

13 Esfuerzos Z (SZ) en una sección del ducto en modelo con barreno y con desplazamientos aplicados de m Zona Elástica

14 Esfuerzos Z (SZ) en una sección del ducto en modelo con barreno y con desplazamientos aplicados de m (Detalle del barreno) Zona Elástica

15 Esfuerzos Z (SZ) en una sección del ducto en modelo sin barreno y con desplazamientos aplicados de m Zona Plástica

16 Deformaciones en una sección del ducto en modelo sin barreno y con desplazamientos aplicados de m Zona Plástica

17 Esfuerzos Z (SZ) en una sección del ducto en modelo con barreno y con desplazamientos aplicados de m Zona Plástica

18 Deformaciones en una sección del ducto en modelo con barreno y con desplazamientos aplicados de m Zona Plástica

19 Deformaciones en una sección del ducto en modelo con barreno y con desplazamientos aplicados de 0.01 m

20 ANÁLISIS DESPLAZAMIENTO APLICADO Análisis Plástico de un segmento de tubo RESULTADO ESPERADO RESULTADOS με με p-z en zona del s z (max) barreno [MPa] RESULTADOS NUMERICOS (ANSYS) SIN BARRENO CON BARRENO με p-z s z (max) en el barreno [MPa] , , , ,478 2, , ,463 3, , ,926 8, , ,778 22, , ,261 64, , , , ,256 1, , , ,022 1,840

21 Curva de Esfuerzo-Deformación para el modelo sin barreno 700 ESFUERZO [MPa] , , , , , , ,000 DEFORMACIONES UNITARIAS

22 Curva de Esfuerzo-Deformación para el modelo sin barreno (Detalle de la zona elástica) 300 ESFUERZO [MPa] ,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 DEFORMACIONES UNITARIAS

23 Comparación de la Curva de Esfuerzo-Deformación para ambos modelos 2000 ESFUERZO [MPa] Modelo con barreno Modelo sin Barreno , , , , , , ,000 DEFORMACIONES UNITARIAS

24 Comparación de la Curva de Esfuerzo-Deformación para ambos modelos (Detalle de la zona elástica) 450 ESFUERZO [MPa] Modelo con barreno Modelo sin Barreno ,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 DEFORMACIONES UNITARIAS

25 Gráfica de la variación de carga en el caso de un análisis no-lineal transitorio del segmento de ducto DESPLAZAMIENTOS [m] CASO DE CARGA

26 Curva de Esfuerzo-Deformación después de realizar el análisis no-lineal transitorio, aplicando la variación de carga dos ciclos Deformación plástica 1er. ciclo Deformación plástica 2o. ciclo

27 v Simulación del método del barreno mediante modelos de elemento finito e1' e2' e3' e1'' e2'' e3'' 0.3 (elástico) 0.5(plástico) FY Esfuerzo aplicado (MPa) M icrodeformación aplicada al modelo 1,500 2,500 5,000 15,000 50, , , Deformaciones calculadas del modelo de elementos finitos (Microdeformaciones) SIN BARRENO ,175 1,771 3,572 5,904 21,378 62, , , ,564 5,029 15,623 84,788 68, ,770-2,856-11,333-30,965-86, ,154 CON BARRENO ,020 1,708 3, ,800 35, , , ,545 3,335 63,697 24,385 63, , ,388-3,235-76,477-26,810-76, ,801 Cálculo de esfuerzo uniforme equivalente de acuerdo con la norma ASTM E e1'' - e1' ,864-2,314 95,423-26,784-52,867-74,175 e2'' - e2' ,771 58,668 8,762-21,092 32,380 e3'' - e3' ,144 4,155 10,089 14,353 Smin MPa ,829-1,976 7,086-11,425 Smax MPa ,137 3,900 40,453 31,405 48,547 89,223 Rango de error Numero de veces mayor que Fy 3% 3% 3% 3% 3% Lecturas similares a las tomadas en campo

28 CONCLUSIONES Se pudo confirmar que el método del barreno es válido para todo el rango elástico. Ahora es posible extrapolar o corregir las mediciones realizadas en el rango plástico. Se llegó a la conclusión que las mediciones realizadas en campo son correctas e indican que en algunas zonas del sistema de tuberías se han alcanzado deformaciones plásticas. Al presentar deformaciones plásticas, las tuberías estarían trabajando fuera de las normas de diseño y carecen de los factores de seguridad básicos.

29 1. Oscar Dorantes Gómez 2. Antonio Carnero Parra Gerencia de Turbomaquinaria Tel. (777) Fax. (777) Alberto López López 2. Ernesto Neri Barrio Nairoby García Estrada Gerencia de Ingeniería Civil