Ingeniería Metalúrgica y Materiales

Falla en serpentín

Ing. Alexander Saavedra Mambuscay

Ing. Aldrin Belisario Velosa Pacheco

Ing. Alexander Enrique Viloria Estrada

DESCRIPCIÓN DEL ELEMENTO

La figura 1. muestra el elemento a analizar, consiste de un tubo de un serpentín de sobrecalentador que falló luego de haber operado durante una hora. Las zonas adyacentes a la superficie de falla se encuentran recubiertas por capas negras posiblemente películas de oxido o productos de la decarburización del acero. Se observa además que la zona posterior del serpentín (que coincide con la parte posterior a la zona de falla) se encuentra soldada a una lamina que mantiene los diferentes anillos que constituyen el serpentín unidos entre sí.

En la figura 2. Se muestra además un esquema en el cual se ilustran las dimensiones de la grieta y se muestran además los diámetros interior y exterior del tubo, y el espesor nominal del mismo en una zona alejada de la falla.

Figura 1. Fotografía del serpentín.

Figura 2. Esquema que ilustra las dimensiones del tubo que falló y las dimensiones de la falla.

CONDICIONES DE CARGA Y EFECTO DE LA TEMPERATURA

 Los tubos que pertenecen a las calderas, serpentines, intercambiadores de calor, etc., pueden ser considerados como recipientes a presión de espesor de pared delgada, en los cuales se presentan condiciones de esfuerzo plano, un esfuerzo que actúa en dirección circunferencial y otro que actúa en dirección longitudinal, originados ambos por la presión que ejerce fluido que circula a través de los tubos que constituyen el recipiente (serpentín en nuestro caso), ver figura 3. Los valores de los esfuerzos pueden ser calculados por medio de las siguientes relaciones:

Donde S₁, es el esfuerzo circunferencial, S₂, es el esfuerzo longitudinal, R es el radio nominal, t, es el espesor del tubo y p la presión ejercida sobre el mismo.

Figura 3. Esquema que ilustra los esfuerzos generados por la presión que se ejerce sobre las paredes de un recipiente a presión cilíndrico. (a) Esfuerzo circunferencial, (b) Esfuerzo longitudinal.

Como criterio de falla en tuberías, se considera suficiente establecer que es esfuerzo circunferencial es:

Donde D, es el diámetro de la tubería, t, es el espesor y P, la presión. De tal forma que cuando el esfuerzo circunferencial es mayor que un esfuerzo crítico, se originará una falla en el material.

Cuando además de la presión que se ejerce sobre las paredes de la tubería, se somete la misma a gradientes de temperatura, se puede producir la falla por colapso plástico debido a perdida de propiedades del material ya que la temperatura a la cual trabaja el material esta por encima de la temperatura para la cual fue diseñado. Esta perdida de propiedades esta asociada a las transformaciones estructurales que sufre el material cuando es sometido a temperaturas muy altas (temperaturas mayores que 1/3 la temperatura de fusión). Generalmente, la verificación de las propiedades mecánicas tanto de la zona de falla, como en la zona alejada de la falla, permiten evaluar hasta que punto se vio afectadas las características estructurales del material por efecto de la temperatura.

Un interesante criterio, que permite evaluar el tiempo de vida de un material, de acuerdo a la temperatura a la cual trabaja, es el criterio de Larson - Miller, el cual establece que para el acero:

P = T(20+log t)

Donde T, es la temperatura absoluta, t, el tiempo de vida y P, el parámetro de Larson - Miller. Este parámetro permanece constante para diferentes valores de T y t, de modo que cuando se conoce el tiempo de vida que se espera que tenga un material y la temperatura normal de operación, es posible determinar la temperatura de sobrecalentamiento que pudo alcanzarse en el material de tal forma que se produzca en él una falla.

ANÁLISIS MACROGRÁFICO

Las siguientes fotografías muestran en mayor detalle la superficie de fractura, en la figura 4, se logran apreciar las características típicas de una fractura de labio delgado, producida posiblemente a un calentamiento inadecuado del tubo en la zona en la cual se produjo la falla; se observa además la formación de películas de color negro, que sugieren oxidación a altas temperaturas ya que sus características de adherencia, forma y color corresponden con las características típicas de un acero calentado a altas temperaturas.

Se logra apreciar además formación de películas de oxido de color rojo, que sugieren una oxidación a baja temperatura por efecto de agentes corrosivos tales como cloruros, sales oxidantes, etc.

Figura 4. Fotografía de la zona de falla

ANÁLISIS METALOGRÁFICO

Con el fin de analizar los posibles cambios microestructurales se realizaron análisis metalográficos de dos zonas del serpentín, un análisis de realizó en la zona de falla (tomada en las cercanías de la punta del labio de la fractura) y otro en una zona alejada de la falla, el siguiente grupo de fotografías muestran los resultados obtenidos.

Figura 5. Microfotografía tomada de la zona de falla F2 - 200 X, probeta atacada con Nital al 3%.

Figura 6. Microfotografía tomada de la zona de falla F2 - 500 X, probeta atacada con Nital al 3%.

Figura 7. Microfotografía tomada de la zona Lejos de la Falla, LF1- 200 X, probeta atacada con Nital al 3%.

Figura 8. Microfotografía tomada de la zona Lejos de la Falla, LF2- 500 X, probeta atacada con Nital al 3%.

**En las dos fotografías anteriores (figuras No 7 y 8) se logran observar una fase perlítica, inmersa en una matriz ferrítica.

RESULTADOS DE MICRODUREZAS VICKERS HV

La medición de la dureza se realizó en dos zonas, lejos de la zona de la falla de manera aleatoria y cerca a la falla de acuerdo a una variación progresiva desde la punta del labio de la grieta de la zona de falla, obteniéndose los siguientes resultados.

Tabla No.1. Microdurezas Vickers lejos de la falla y cerca de la falla.

Tabla No. 2. Tipo de Inclusiones

Tabla No. 3. Composición Química del Serpentín

ANÁLISIS DE RESULTADOS

 De acuerdo a los resultados y los análisis metalográficos y fractográficos, la microfotografía en la zona de falla muestra una matriz ferrítica que corresponde a este tipo de acero, además muestra una fase perlítica - martensitica, lo cual sugiere un temple desde temperaturas que se encuentran entre A₃ (curva que separa las fases austenita y ferrita) y A_1, (curva de transformación Eutectoide), producto del contacto entre el tubo y el flujo de fluido saliendo del mismo en el momento de la falla.

 La microdureza de la zona no afectada presenta un valor promedio de 166.96 HV el cual siempre es menor a los valores de microdureza obtenidos en la región de falla, lo cual confirma la hipótesis del punto anterior.

 De acuerdo a lo anterior, la causa de la falla fue un rápido sobrecalentamiento a una temperatura considerablemente mayor a la temperatura de trabajo del material del tubo y que es acompañada de un adelgazamiento de la pared del mismo en la región adyacente a la ruptura, donde la disminución del espesor fue de aproximadamente del 28.57%.

 Las películas adheridas en el interior de la superficie del serpentín en la zona de falla, implican la aparición de resistencia suplementaria del paso de calor a través de la pared metálica, lo que da lugar a que con una temperatura invariable de la superficie externa de la pared se produzca la brusca disminución de la transmisión y, por consiguiente un considerable recalentamiento de sus paredes y la consecuente falla abrupta.

 La excesiva temperatura que se usó durante las condiciones de operación se manifestó en la formación de la película aislante en la parte interior de serpentín, en la forma de la fractura (presumiblemente fractura de tensión transgranular) y en el tiempo de vida extremadamente bajo (una hora).

Nota: Esta versión electrónica se provee únicamente con fines educativos. Cualquier reproducción destinada a otros fines, deberá obtener los permisos que en cada caso correspondan.

 
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Última revisión: 10 Febrero, 2001