EVALUACIÓN DE DESALINAMIENTOS EN SOLDADURA. Ing. Aníbal Rozas Gallegos

Transcripción

1 EVALUACIÓN DE DESALINAMIENTOS EN SOLDADURA Ing. Aníbal Rozas Gallegos 1

2 INTRODUCCIÓN. Un principio común a los métodos de INSPECCIÓN es producir resultados conservadores y por lo tanto, si un análisis conduce a resultados no aceptables, esto no significa necesariamente que el componente fallará, solo que es necesario examinarlo más detenidamente. 2

3 DESALINEAMIENTO HAY DE VARIOS TIPOS 1.- Desalineamiento de juntas a tope en planchas planas: 3

4 4

5 2.- Desalineamiento en cuerpos cilíndricos de juntas circunferenciales a tope. 5

6 2.- Desalineamiento en cuerpos cilíndricos de juntas circunferenciales a tope. 6

7 2.- Desalineamiento angular de juntas a tope en planchas planas. 7

8 2.- Desalineamiento angular de juntas de recipiente cilíndrico y esférico tope en planchas planas. 8

9 2.- Desalineamiento angular de juntas circunferencial de recipiente cilíndrico. 9

10 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA (caso mas sencillo) Un modelo simple de este tipo de desalineamiento puede ser hecho considerando una viga con dos partes desalineadas en su centro, como mostrado en la Figura, y sometida a tensión. El desalineamiento producirá un momento aplicado en el centro de la viga, que conduce a esfuerzos adicionales, los cuales serán esfuerzos de flexión El esfuerzo de membrana será: El esfuerzo de flexión será: Donde el momento producido es: El esfuerzo resultante será: Figura Representación del problema de desalineamiento. 10

11 El problema planteado es la evaluación de desalineamientos en soldaduras unidas a tope con espesores similares, Se puede verificar Con procedimientos de aptitud para el servicio, siguiendo los criterios de aceptabilidad del Nivel 1 y 2 de API 579-1/ASME FFS-1, parte 8. Con métodos numéricos (FEA) Con Métodos experimentales. 11

12 APTITUD PARA EL SERVICIO? Según API 579-1/ASME FFS-1 es: una evaluación cuantitativa de ingeniería realizada para demostrar la integridad estructural de un componente en servicio que puede contener un daño o falla 12

13 Evaluación según API 579-1/ASME FFS-1 Se evalúa el defecto de desalineamiento por falta de coincidencia en la línea central según los criterios de evaluación del Nivel 1 y Nivel 2 de acuerdo a lo propuesto por 579-1/ASME FFS-1. Los especímenes a evaluar consisten en 2 piezas de acero de ¼ de espesor, ASTM A-36 soldadas entre sí con un desalineamiento por falta de coincidencia presente en la junta. Se evalúa este caso para diferentes valores de desalineamiento, con valores del 15%, 30% y 50% del espesor respectivamente. Se evalúan para juntas circunferenciales y longitudinales las cuales se esquematizan en la figura. Figura Esquema de juntas a evaluar 13

14 EVALUACIÓN SEGÚN API 579-1/ASME FFS-1 NIVEL 1. Evaluación Código de Construcción. ASME B&PV Code, Sección VIII, División 1 y división 2 Tipo de Junta Junta Longitudinal Junta Circunferencial 15% desalineamiento 30% desalineamiento 50% desalineamiento ACEPTABLE INACEPTABLE INACEPTABLE ACEPTABLE INACEPTABLE INACEPTABLE API STANDARD 620 Juntas a Tope ACEPTABLE INACEPTABLE INACEPTABLE API STANDARD 650 Junta Longitudinal Junta Circunferencial ACEPTABLE INACEPTABLE INACEPTABLE ACEPTABLE INACEPTABLE INACEPTABLE 14

15 EVALUACIÓN SEGÚN API 579-1/ASME FFS-1 NIVEL 2. a) PASO 1 Espesor del material: 0.25 pulgadas Desalineamientos a evaluar: 15% ( ), 30% (0.075 ) y 50% (0.125 ) S a = 16,600 psi b) PASO 2 Determinar el espesor de pared a ser utilizado en la evaluación t c = 0.25 (asumiendo que no existe corrosión) c) PASO 3 Determine el esfuerzo de membrana, σ ms, a ser utilizado en la evaluación σ ms = 16,600 psi (máximo posible) 15

16 EVALUACIÓN SEGÚN API 579-1/ASME FFS-1 NIVEL 2. d) PASO 4 Calcule la relación del esfuerzo de flexión inducido al esfuerzo aplicado de membrana, R bs utilizando la ecuación, basadas en el tipo de componente y desalineamiento de soldadura, y el espesor determinado en el PASO 2 pc, R pc bs = 1 + 6e t 1c 1 + t 2c t 1c Donde t 1c = t 2c = 0.25 Y e 15% = , e 30% = 0.075, e 50% = Sustituyendo: R pc bs 15% = 1.45 pc 30% = 1.9 R bs pc 50% = 2.5 R bs R b = -1.0 (debido a que se trata de una plancha plana) 16

17 EVALUACIÓN SEGÚN API 579-1/ASME FFS-1 NIVEL 2. e) PASO 5 Determinación del Factor de Esfuerzo Remanente RSF (Remaining Strength Factor) El Factor de Esfuerzo Remanente (RSF) ha sido introducido para definir la aceptabilidad para servicio continuo de un componente que contenga un defecto en términos de criterio de esfuerzos elasto plástico no-lineal y se define como: RSF = L dc L uc Donde L dc es la carga límite o de colapso plástico para el componente que ha sufrido degradación o daño, y L uc es la carga límite o de colapso plástico para el componente que no muestra daño. En la parte 8 de API 579-1/ASME FFS-1 el factor RSF se opera de la siguiente manera: RSF = min H f S a σ m 1+R b +σ ms (1+R bs ), 1.0 Donde: Hf = 3.0 (Para esfuerzo secundario). 17

18 EVALUACIÓN SEGÚN API 579-1/ASME FFS-1 NIVEL 2. Se supone un valor del coeficiente H f = 3.0 debido a que se considera que el esfuerzo flector ocasionado por el desalineamiento por falta de coincidencia en la línea central es un esfuerzo secundario [5]. Sustituyendo valores para los diferentes desalineamientos: RSF (15%) = min (1+1.45), 1.0 RSF (15%) = min 1.22, 1.0 = 1.00 RSF (30%) = min (1+1.9), 1.0 RSF (30%) = min 1.03, 1.0 = 1.00 RSF (50%) = min (1+2.5), 1.0 RSF (50%) = min 0.857, 1.0 =

19 EVALUACIÓN SEGÚN API 579-1/ASME FFS-1 NIVEL 2. f) PASO 6 Evaluar los resultados En una valoración de aptitud para el servicio, el valor calculado del factor de esfuerzo remanente (RSF) es comparado con un valor permisible. Si el valor calculado de RSF es mayor que el permisible, el componente puede ser devuelto al servicio. Si el valor de RSF es menor que el permisible, el componente podrá ser reparado, recalificado o deberá ser puesta en práctica alguna forma de corrección para reducir la severidad del ambiente de operación. La recalificación del componente se obtiene reduciendo la presión de trabajo máxima permisible (MAWP) de la siguiente manera: MAWP = MAWP o RSF RSF a PARA RSF < RSF a 19

20 Tabla - Factor de resistencia remanente permisible recomendado basado en el código de diseño. Codigo de Diseño Factor de Esfuerzo Remanente Permisible Recomendado RSFa ASME Section ASME Section VIII, Division 1 (pre 1999) 0.9 ASME Section VIII, Division 1 (post 1999) 0.9 ASME Section VIII, Division AS BS PD CODAP 0.9 ASME B ASME B API API

21 EVALUACIÓN SEGÚN API 579-1/ASME FFS-1 NIVEL 2. Para un desalineamiento de 15%: RSF (15%) = Por lo tanto es satisfactorio según el criterio de evaluación del Nivel 2 Para un desalineamiento de 30%: RSF (30%) = Por lo tanto es satisfactorio según el criterio de evaluación del Nivel 2 Para un desalineamiento de 50%: RSF (50%) = Por lo tanto es insatisfactorio según el criterio de evaluación del Nivel 2 Realizando la recalificación de la presión de trabajo admisible se obtiene MAWPfinal = MAWPinicial = MAWPinicial0.95 Lo cual es una reducción del 4.5% en la presión de trabajo. 21

22 EVALUACIÓN SEGÚN API 579-1/ASME FFS-1 NIVEL 2. En la evaluación según los criterios de aceptación del Nivel 2, los desalineamientos de 15% y 30% resultaron admisibles, el desalineamiento de 50% del espesor de 0.25 pulgadas resulto inadmisible. 22

23 EVALUACIÓN SEGÚN EL METODO DE ELEMENTOS FINITOS Definición del campo de solución Discretización Desarrollo de las ecuaciones de los elementos finitos Aplicación de las cargas y condiciones de borde Solución para las variables de respuesta primarias Postprocesamiento Primario General de Membrana, (Primary General Membrane ) Pm < S a Primario Local de Membrana + Flector (Primary Local Membrane + Bending) Pl + Pb < 1.5 S a Primario + Secundario (Primary + Secundary) Pl + Pb + Q < 3.0 S a Donde el valor de S a es la intensidad de esfuerzo permitida a la temperatura de diseño Verificación 23

24 CARGAS Y CONDICIONES DE BORDE Un esquema de las condiciones de borde utilizadas en el análisis por elementos finitos se muestra en la figura, donde se ha considerado un apoyo fijo en un extremo y un apoyo móvil en el otro. Figura Condiciones de Borde utilizadas en el valoración por elementos finitos del problema de desalineamiento 24

25 Se simulo la aplicación de un esfuerzo unitario de tensión en un extremo de la platina en dirección normal a la cara mientras se mantenía fijo el extremo contrario a la cara de carga. Se permitió el desplazamiento en la cara de la carga solamente en la dirección normal a la cara. 25

26 Desalineamiento Esfuerzo Esfuerzo Teorico FEA Diferencia 50% % 30% % 15% % Observando los resultados se verifica el modelo de elementos finitos utilizado. La variación entre el esfuerzo teórico y el calculado numéricamente con el método de elementos finitos es debido a la precisión del método de FEA con respecto a la simplicidad del cálculo del esfuerzo teórico 26

27 Resultados Obtenidos por FEA Al evaluar los distintos desalineamientos por el método de elementos finitos aplicando un esfuerzo de 16,600 psi (qué es el máximo esfuerzo permitido según ASME BPVC SECCIÓN II PARTE D) se obtiene como resultados los esfuerzos máximos los cuales se muestran en la a continuación: Desalineamiento Esfuerzo obtenido por FEA (psi) 0% % % %

28 EXPERIMENTALMENTE Para verificar los resultados del modelo estructural utilizado en la simulación por elementos finitos, se procedió a ensayar en el laboratorio probetas con desalineamientos Al ser sometida la junta soldada, que actúa como un cuerpo rígido, a tensión, esta tiende a rotar debido al momento producido por la falta de coincidencia del eje neutro en los extremos de la junta soldada. Esta rotación ocasiona que se dismuya el desalineamiento, llevando el eje neutro de la junta soldada cerca a la línea de acción de la fuerza de tensión aplicada. Ver el diagrama de cuerpo libre de la figura 28

29 Para lograr este efecto se han maquinado las probetas de tal manera que al aplicar el desplazamiento con la máquina de tracción, la máquina no produzca momentos adicionales y la línea de acción de la fuerza (provocada por el desplazamiento aplicado) básicamente pase por el eje neutro de la junta soldada desalineada. Un diagrama de cuerpo libre del sistema probeta/mordazas es mostrado en la figura a continuación. Se aprecia que la razón de rebajar el espesor en los extremos adyacentes a las mordazas es mantener la línea de acción de la fuerza en el eje de la junta soldada. 29

30 La sección de las mordazas está diseñada de tal forma que no presente fluencia en las mordazas bajo un estado de tensión plana mientras ocurre la falla en la sección reducida e (%) AM AC AH (pulg) (pulg) (pulg) Se requiere que la sección de los hombros no ceda bajo el esfuerzo uniaxial de la prueba mientras el cuello falla en el estado de tensión plana, así que los hombros serán más resistentes que el cuello 30

31 Probetas de 50% de desalineamiento, tal como fueron fabricadas y ensayadas Probetas de 30% de desalineamiento, tal como fueron fabricadas y ensayadas Probetas de 15% de desalineamiento, tal como fueron fabricadas y ensayadas 31

32 # Probeta Resultados Experimentales Se fabricaron y probaron (hasta la rotura a través de un ensayo de tracción) un total de 8 especímenes de plancha de acero ASTM A-36, 2 para cada tipo de desalineamiento (0%, 15%, 30%, 50%). Los resultados se tabulan a continuación: Probetas Area (pulg 2. ) Fuerza Máxima (lbf.) Esfuerzo Máximo (Ksi) 32 Deformación en 2" (%) 1 0% - A % - B % - A % - B % - A % - B % - A % - B

33 Deformación (%) Esfuerzo Máximo (ksi) Esfuerzo Máximo Probetas (#) Deformación Probetas (#) 0% desalineamiento 15% desalineamiento 30% desalineamiento 50% desalineamiento 0% desalineamiento 15% desalineamiento 30% desalineamiento 50% desalineamiento Se comparan los esfuerzos máximos y porcentajes de deformación obtenidos en los ensayos para los respectivos desalineamientos ensayados. Las probetas con el mismo desalineamiento mostraron resultados relativamente uniformes entre sí. 33

34 Al aplicar el desplazamiento en el ensayo, se observo en las probetas una rotación en la zona del desalineamiento de tal manera que el eje neutro de la junta desalineada coincidía con la línea de acción de la fuerza aplicada Se observo un adelgazamiento local en todas las probetas en la zona de la junta desalineada 34

35 Se muestra que el esfuerzo máximo que soporta la muestra ocurre justamente donde ocurre la falla en las pruebas experimentales 35

36 Esfuerzo (psi) Se comparan los esfuerzos obtenidos teóricamente a través de las ecuaciones obtenidas por medio de la teoría de membrana, con los obtenidos a través de las ecuaciones proporcionadas para calcular los esfuerzos según el Nivel 2 de valoración propuesto por API 579-1/ ASME FFS-1 y los obtenidos a través de la simulación por elementos finitos Teórico API / ASME FFS-1 FEA 0% % % % Se grafica la tendencia en el cálculo de estos esfuerzos Comparación de Esfuerzos Teorico API 579-1/ASME FFS-1 FEA 0% 15% 30% 50% 36

37 DISCUSIÓN. Al aumentar el nivel de desalineamiento en una junta soldada, unida a tope en espesores similares, es evidente la disminución gradual en la resistencia mecánica, específicamente en el esfuerzo máximo, de hasta un 9% para un desalineamiento del 50% del espesor, y la disminución progresiva en la ductilidad de hasta un 58% para el desalineamiento anteriormente mencionado. 37

38 En la modelación por elementos finitos y en las pruebas de laboratorio, existió una rotación en la junta soldada simulada. La rotación ocasionaba una disminución en el desalineamiento y por lo tanto una disminución gradual en los esfuerzos secundarios de flexión producidos por este. En un material frágil o fragilizado (o muy rigidizado) por algún mecanismo de degradación, la rotación para contrarrestar el desalineamiento será probablemente menor y por lo tanto los efectos de los esfuerzos secundarios de flexión no disminurian en la misma medida, lo que provocaría una concentración de esfuerzos que produciría la falla para relaciones de cargas menores. 38

39 El efecto del desalineamiento ocasiona un incremento de esfuerzos secundarios de flexión en la zona del desalineamiento, que para el caso más crítico estudiado se encontró por medio de la simulación por elementos finitos que los esfuerzos totales aumentaban en un 280% en relación con una plancha soldada sin desalineamiento. Este aumento en los esfuerzos se ve progresivamente disminuido debido a la rotación y enderezamiento del desalineamiento a consecuencia de la aplicación de carga, de tal manera que al ser ensayados en el laboratorio especímenes desalineados, la resistencia a la tracción (ensayo bajo carga estática ) para un desalineamiento del 50% fue, en promedio, solamente un 9% menor que la presentada en especímenes sin desalineamiento. Tomando esto en cuenta si en el análisis por medio de elementos finitos es incluida la no-linearidad de los materiales, los resultados pueden ser utilizados para calificar un componente con este desalineamiento para uso continuo. 39

40 Gracias por la atención prestada. 40