Logo Studenta

AnAílisis-de-falla-para-el-mejor-aprovechamiento-de-las-insta

Vista previa del material en texto

INDICE
[Escribir el nombre de la compañía] |
Lista de Figuras………………………………………….………………….………..........i
Lista de Tablas……………………………………………………………………………iii
Glosario……………………………………………………………………………….......iv
Resumen………………………………………………………………………………….viii
Abstract……………………………………………………………………………………ix
CAPITULO 1: DESCRIPCIÓN GENERAL
1.1 Alcances……………………………………………………………….……………..2
1.2 Naturaleza del problema………….………………………………………………..2
1.3 Estado del Arte………………………………………………………………………7
1.4 Justificación…………………………………………………………………..……..9
1.5 Hipótesis……………………………………………………………………..………9
1.6 Objetivos……………………………………………………………….…………….9
CAPITILO 2: DESCRIPCION DEL PROCESO PRIMARIO ATMOSFERICO Y AL VACIO
2.1 Proceso de Destilación Atmosférico y al Vacío…………………………….….10
2.1.1. Componentes de las torres…….………………………….………….13
2.2 Análisis de falla…………………………………………………………………….16
2.2.1 Análisis de fallas estructurales…………….………………………….16
INDICE
[Escribir el nombre de la compañía] |
2.2.2 Escalas en fallas de materiales………………………………….…….17
2.2.3 Modos de fallas frecuentes en elementos estructurales…………...19
2.3 Tipos y mecanismos de corrosión………………………………………………25
2.3.1 Factores que influyen en la velocidad de corrosión…….……….….27
2.4. Fracturas en materiales…………………………….…………………………….28
2.4.1 Fractura frágil…………………………………………………………….28
2.4.2 Fractura dúctil……………………………………………………..…….30
2.4.3 Nucleación de cavidades……………………..……………………….33
2.4.4 Crecimiento y coalescencia de cavidades……..……………………33
CAPITULO 3: DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.1 Preparación y selección de las muestras………………………………………37
3.2 Estudio macrométrico…………………………………………………………….38
3.2.1 Caracterización química………………………………………………..38
3.2.2 Caracterización mecánica……………………………………….……..38
3.3 Estudio micrométrico………………………..……………………………………39
3.3.1 Análisis estructural…………………………...…………………………39
3.3.2 Análisis morfológico y composicional…………………………….….40
3.4 Ensayo de corrosión por inmersión…………………………………………….41
INDICE
[Escribir el nombre de la compañía] |
3.4.1 Preparación de las probetas………………………………………….41
3.4.2 Desarrollo de la prueba……………………………………………..….41
3.4.3 Tratamiento de prueba…………………………………………………42
CAPITULO 4: ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1 Análisis de falla del casquete inferior de la torre 10005………………………43
4.1.1 Inspección visual.……………………………………………………….43
4.2 Estudio macrométrico T-10005……………………..……………………………45
4.2.1 Análisis químico…………………………………………………………45
4.2.2 Prueba mecánica: dureza……………………………………………….45
4.3 Estudio micrométrico T-10005.……………………………….………………….46
4.3.1 Análisis estructural………………………………………………………46
4.3.2 Análisis morfológico y composicional…………………………………50
4.4 Análisis de falla de la línea de vapores torre 10001……………………………51
4.4.1 Inspección visual……………..………………………………………….51
4.5 Estudio macrométrico T-10001……………………..……………………………54
4.5.1 Análisis químico…………………………………………………………54
4.5.2 Prueba mecánica: dureza……………………………………………….54
4.6 Estudio micrométrico T-10001.…………………………………………………..55
INDICE
[Escribir el nombre de la compañía] |
4.6.1 Análisis estructural…………………………...………………………….55
4.6.2 Análisis morfológico y composicional……………………...………….60
4.7 Ensayo de corrosión por inmersión……………………….……………………..61
4.7.1 Caracterización química de los medios……………………….………61
4.7.2 Velocidad de corrosión……………….…………………………………62
CAPITULO 5: CONCLUSIONES
5.1 Conclusiones…………………………………………………………………….….69
CAPITULO 6: REFERENCIAS
6.1 Marco teórico……………………………………………………………………..….72
6.2 Desarrollo experimental……...…………………………………………………….73
LISTA DE FIGURAS
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. i
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Proceso de destilación atmosférico…………………………………….8
Figura 2.2 Proceso de destilación al vacío…………………………………………9
Figura 2.3 Corte longitudinal de una torre de bandejas………………………….12
Figura 3.1 Falla de una probeta por plasticidad…………………………………..16
Figura 3.2 Falla de un barco por fractura…………………………………..……..17
Figura 3.3 Falla por fatiga de un eje…………………………………...…………..17
Figura 3.4 Falla de un tanque por pandeo………………………………………..18
Figura 3.5 Falla por creep en una construcción………………………………….19
Figura 3.6 Falla por corrosión en un puente………………………………………20
Figura 3.7 Falla por corrosión por agentes biológicos…………………………...20
Figura 3.8 Orígenes de fisuración por fatiga en acero……………………..……21
Figura 3.9 Mecanismo de deformación…………………………………………....21
Figura 4.1 Fenómeno de corrosión por hendidura……………………………..29
Figura 4.2 Curva de Nelson para materiales de Cr-Mo………………………....34
Figura 4.3 Curva de variación de las propiedades mecánicas………………….36
Figura 4.4 Curva de rango de temperaturas para carburos……………………..36
Figura 6.1 Probetas analizadas…………………………………………………….44
Figura 6.2 Montaje de muestras……………………………………………………48
Figura 6.3 Distintos tipos de acabados………………………………………...…50
Figura 6.4 Aspecto superficial de cada grano……………………………………52
Figura 6.5 Magnitudes de tensión y densidad de corriente en pulido………..53
Figura 6.6 Microscopio estereoscopio SZX7 OLYMPUS………………………54
Figura 6.7 Microscopio óptico GX51 OLYMPUS…………………………………54
Figura 6.8 Durómetro Albert Gnehm.………………………………………….…..55
Figura 6.9 Microscopio electrónico de barrido Phillips XL-20…………………..56
Figura 6.10 Difractómetro de rayos X, D8-Advance……………………………...56
Figura 7.1 Muestras de falla en casquete de la torre 10005…………………....58
Figura 7.2 Pieza fallada del casquete lado sur…………………………………...59
Figura 7.3 Imágenes de casquete en microscopio estereoscopio……………59
LISTA DE FIGURAS
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. ii
Figura 7.4 Micrografías de casquete sin ataque químico……………………...61
Figura 7.5 Micrografías de casquete con ataque químico……………………..62
Figura 7.6 Imágenes de daño por corrosión…………………………………….62
Figura 7.7 Micrografía de falla por fractura dúctil………………………………..64
Figura 7.8 Micrografía de falla dúctil a alta temperatura………………………...65
Figura 7.9 Difractograma del casquete inferior dañado………………………….66
Figura 7.10 Muestra de falla en línea de vapores de la torre 10001…………….67
Figura 7.11 Vista interior de la falla de la línea de vapores………………………68
Figura 7.12 Imágenes de línea fallada por microscopio estereoscopio……….69
Figura 7.13 Micrografías de línea sin ataque químico…………………………….69
Figura 7.14 Micrografías de línea con ataque químico……………………………71
Figura 7.15 Micrografía electrónica de falla por mecanismo de fatiga…………..71
Figura 7.16 Micrografía de superficie de falla por fatiga…………………………..73
Figura 7.17 Micrografía electrónica de falla con estrías…………………………..74
Figura 7.18 Micrografía electrónica con inclusiones………………………………75
Figura 7.19 Microestructura dañada por aumento de temperatura………………75
Figura 7.20 Difractograma de la línea de vapores…………………………………76
Figura 7.21 Gráfica de pérdida de peso en acero al carbono…………………….77
Figura 7.22 Gráfica de velocidad de corrosión en acero al carbono…………….80
Figura 7.23 Gráfica de pérdida de peso en acero inoxidable 304……………….81
Figura 7.24 Gráfica de velocidad de corrosión en acero inoxidable 304………82
Figura 7.25 Gráfica de pérdida de peso en inconel 600…………………………..83
Figura 7.26 Gráfica de velocidad de corrosión en inconel 600…………………84
LISTA DE TABLAS
[Escribir el nombre de la compañía] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en
el documento.
iii
LISTA DE TABLAS
Tabla 4.1 Composición química de la muestra de acero MCIS-01………………45
Tabla 4.2 Valores de dureza Rockwell en acero MCIS-01………………………...45
Tabla 4.3 Parámetros estereológicos del acero en su corte longitudinal……..48
Tabla 4.4 Parámetros estereológicos del acero en su corte transversal……….48
Tabla 4.5 Composición química de la muestra de la aleación MLVS-01………..54
Tabla 4.6 Valores de dureza Rockwell en la aleación MLVS-01………………….54
Tabla 4.7 Parámetros estereológicos de la aleación en su corte longitudinal..56
Tabla 4.8 Parámetros estereológicos de la aleación en su corte transversal…56
Tabla 4.9 Espectrometría de masaa turbosina……………………………….........62
Tabla 4.10 Pérdida de peso de 516-70, A-304, inconel 600 en crudo……………63
Tabla 4.11 Pérdida de peso de 516-70, A-304, inconel 600 en turbosina……….64
Tabla 4.12 Pérdida de peso de 516-70, A-304, inconel 600 en crudo+salmuera..65
Tabla 4.13 Velocidad de corrosión de 516-70, A-304, inconel 600 en crudo……66
Tabla 4.14 Velocidad de corrosión de 516-70, A-304, inconel 600 en turbosina..67
Tabla 4.15 Velocidad de corrosión de 516-70, A-304, inc 600 en crudo+salm…68
GLOSARIO
[Escribir el nombre de la compañía] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en
el documento.
iv
GLOSARIO
A _____________________________________________________________________
Aceite: Es la porción del petróleo que es líquida en el yacimiento, y permanece líquida a
condiciones atmosféricas de presión y temperatura.
Aceros Austeníticos: Son todas aquellas aleaciones que tienen menos de 2,06 % de
carbono. Es una estructura cúbica centrada en la cara, es la fase gamma (γ) en el
diagrama Fe-C.
Ácido: Compuesto que cuando se disuelve en agua produce iones H+.
B _____________________________________________________________________
Bandejas: Bandejas o platos hechos de una lámina de acero cortada para encajar dentro
de la torre y con perforaciones que permiten el paso del vapor.
Benceno: Hidrocarburo de fórmula C6H6, perteneciente a la seria cíclica aromática, que
se obtiene de la destilación seca de la hulla. Es un líquido incoloro, volátil e inflamable. El
benceno es un agente que disuelve muy bien las grasas y otras sustancias, por lo que se
utiliza como quitamanchas y en la fabricación de barnices como disolvente de las resinas.
Butano: Hidrocarburo saturado gaseoso (C4H10), presente en las emanaciones gaseosas
de los pozos de petróleo y de los productos del craqueo de los aceites pesados.
C _____________________________________________________________________
Casing: Es la cubierta exterior metálica, o carcaza del Horno.
Catalizador: Agente o sustancia capaz de acelerar o retardar una reacción, sin alterar el
resultado final de la misma.
Clad: Revestimientos de aceros inoxidables.
Coil: El coil es el serpentín del horno, el cual se conforma por la serie de tubos dentro de
los cuales circula la carga o crudo.
Coque: Materia carbonosa sólida y de color gris, resultante de la destilación del carbón.
Coquización: Proceso de descomposición térmica que produce hidrocarburos ligeros a
partir de residuos pesados. Un subproducto de este proceso es el coque.
Craqueo: Transformación de las fracciones del petróleo en productos de menor peso
molecular.
Craqueo catalítico: Rompimiento y modificación de la estructura molecular que se lleva a
cabo en presencia de un catalizador.
GLOSARIO
[Escribir el nombre de la compañía] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en
el documento.
v
Creep: El Creep o termofluencia es una deformación del metal que produce
agrietamientos. Se presenta cuando la tensión o esfuerzos se mantienen constantes y se
sobrepasa una cierta deformación unitaria.
El Creep induce a una falla por fractura cuando se sobrepasan los valores del diagrama
de termofluencia para el material considerado.
Crudo: Petróleo aún sin procesar, tal y como se obtiene del subsuelo.
Crudo ligero: Petróleo con baja densidad y viscosidad. Normalmente tiene gran
contenido de destilados.
Crudo pesado: Petróleo con alta densidad y viscosidad, y generalmente bajo contenido
de destilados.
D _____________________________________________________________________
Dampers: Se encuentra en la chimenea del Horno y es el regulador de tiro o válvula que
controla la velocidad a la que los gases de combustión abandonan el Horno.
Decoquificar: Son una serie de procedimientos, para desprender de los tubos de los
serpentines, las capas o depósitos de coque.
En general, consiste en golpes de vapor de alta presión seguidos de inyecciones de aire y
combustible liviano.
La idea es desprender las capas de Coque mediante el vapor y lo que quede quemarlo en
forma controlada regulando la cantidad de aire que se ingrese.
Destilación: Proceso que consiste en hervir un líquido para formar vapor y luego
condensar el vapor para formar nuevamente el líquido. Se usa para separar compuestos
líquidos de sus impurezas.
Destilación fraccionada: Proceso de destilación en donde los compuestos que tienen
diferentes temperaturas de ebullición pueden ser separados.
Desulfuración: Proceso de eliminación de compuestos de azufre a las fracciones del
petróleo.
E _____________________________________________________________________
Etileno: Materia prima básica para la producción de plásticos (petroquímica).
GLOSARIO
[Escribir el nombre de la compañía] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en
el documento.
vi
F______________________________________________________________________
Fitting: Son todos los elementos de unión de los tubos rectos.
Fuel Oil: Combustible para calderas y hornos. Se emplea como combustible para generar
vapor o energía eléctrica.
G _____________________________________________________________________
Gas Natural: Es la porción del petróleo que existe en fase gaseosa o en solución en el
aceite en los yacimientos, y es gaseosa a condiciones atmosféricas.
H _____________________________________________________________________
Hematita: Óxido de hierro, de formula Fe2O3, romboédrico. Es un tipo de oxidación del
Fe y se deposita en la superficie del metal de los tubos expuestos a altas temperaturas,
se caracteriza por impedir que continué la oxidación del metal.
Hidrocarburos: Son compuestos químicos de carbón (83% a 87%) e hidrógeno (10 a
14%). Compuesto orgánico que contiene carbono e hidrógeno únicamente.
I ______________________________________________________________________
Isomerización: Procedimiento que convierte la cadena recta de los hidrocarburos
parafínicos en una cadena ramificada. El rearreglo de la estructura de un compuesto sin
aumentar o disminuir ninguno de sus componentes.
L _____________________________________________________________________
Liner o Linning: Placas de cuña o planchas de revestimiento con perforaciones en la
periferia, las cuales se rellenan con soldadura, uniéndose al manto original.
Lubricantes: Dentro de la industria en general, los lubricantes juegan un papel
fundamental, pues evitan que el contacto continuo entre partes móviles de una máquina
provoque esfuerzos por fricción que puedan llevarla a un mal funcionamiento e inclusive a
su destrucción.
M ____________________________________________________________________
Magnetita: Es un óxido Ferrosoférrico de formula FeO, Fe2O 3, que cristaliza en el
sistema cúbico, en octaedros. Se forma en la superficie del metal cuando es expuesto a
temperaturas mayores de 400ºC.
Manhole o Entrada hombre: Acceso para registro de inspecciones e ingreso de
inspectores al equipo.
N _____________________________________________________________________
Nafta: Fracción ligera del petróleo natural, que se obtiene en la destilación de la gasolina.
GLOSARIO
[Escribir el nombre de la compañía] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en
el documento.
vii
Naftaleno (Naftalina): Hidrocarburo sólido, procedente del alquitrán de hulla, usado como
desinfectante.
Naftenos: Hidrocarburos cíclicos saturados, generalmente contienen cinco o seis
carbonos en el anillo.
P _____________________________________________________________________
Petróleo: El aceite mineral o petróleo se encuentra en el interior de la tierra y se compone
principalmente de carbono e hidrógeno; por ello, se trata de un hidrocarburo y no un
mineral, ya que procede de sustancias orgánicas.
Procesos petroquímicos: Además de los combustibles, del petróleo se obtienen
derivados que permiten la producción de compuestos químicos que son la base de
diversas cadenas productivas que terminan en una amplia gama de productos conocidos
genéricamente como productos petroquímicos, que se utilizan en las industrias de
fertilizantes,plásticos, alimenticia, farmacéutica, química y textil, entre otras.
Propano: Hidrocarburo saturado de tres carbonos. Es un gas incoloro, inflamable, que se
halla en el gas natural. Sirve como combustible.
Q_____________________________________________________________________
Queroseno: Fracción del petróleo bruto que destila, a aproximadamente entre 150- 300
ºCelsius. Se emplea como carburante y como combustible doméstico.
R_____________________________________________________________________
Refinación: Se aplica a todas las operaciones cuyo objeto es la fabricación u obtención
de los diferentes productos derivados del petróleo.
T _____________________________________________________________________
Temperatura De Humos: Es la temperatura de los gases calientes producto de la
combustión, se miden con termocuplas.
Temperatura De Metal: Es la temperatura que tiene la pared exterior metálica (aquella en
contacto con los gases calientes) de los tubos de los serpentines, estas temperaturas se
controlan a través de termocuplas.
Tolueno: Hidrocarburo (metilbencenol) de la serie aromática, usado en la preparación de
colorantes, disolventes, medicamentos y trinitrotolueno.
Torre de destilación (Topping): Equipo en el que se lleva a cabo el proceso de
separación de las fracciones, mediante etapas sucesivas de evaporación y condensación.
RESUMEN
[Escribir el nombre de la compañía] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en
el documento.
viii
RESUMEN
El presente trabajo de investigación se centra en la realización de un análisis de
falla como una perspectiva para el mejor aprovechamiento de las instalaciones de
la planta combinada maya en la refinería Fco. I. Madero, para lo cual se efectuó
un estudio en etapas, contemplando la reología del sistema y una metodología
especifica, con la finalidad de conocer el mecanismo de daño en varias zonas de
la línea de vapores de la torre 10005 y en el fondo de la torre 10005.
El presente trabajo de investigación consta de cinco capítulos, particularizando en
los mecanismos de falla conocidos y hacer que esto conlleve al objetivo de este
trabajo, determinar el mecanismo y proponer la remediación de la falla
La metodología propuesta para el análisis de falla contempla dos etapas: una
parte de integridad estructural, donde se analizan las fallas macrométrica
(inspección visual, análisis químico, dureza) y micrométricamente( microscopio
estereoscopio, microscopio óptico, microscopio electrónico de barrido, difracción
de rayos X); y la parte de integridad química en la que se analizan los fluidos
presentes en los equipos de falla, este análisis consistió en una serie de
caracterizaciones de los fluidos y un estudio de corrosión por inmersión en dichos
fluidos de la planta maya, para determinar la velocidad de corrosión del acero al
carbono 516 grado 70, acero inoxidable 304 e inconel 600.
La resultados determinaron que el mecanismo de falla en el casquete inferior de
la torre 10005, es por falla dúctil donde las cavidades presentes en este material
fallado son resultado de la coalescencia de microcavidades iniciadas alrededor de
inclusiones adicionalmente asistidas por corrosión química debido al ácido oxálico.
El mecanismo de falla para la línea de vapores de la torre 10001, es falla por
fatiga con presencia de estrías como resultado de tensiones cíclicas en los
extremos de los canales de inclusiones favoreciendo a la formación de fisuras
cuando es manipulado a condiciones drásticas, siendo este daño asistido por
corrosión erosión.
ABSTRACT
[Escribir el nombre de la compañía] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en
el documento.
ix
ABSTRACT
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 1
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 2
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1Alcances
Este estudio se enmarca dentro de la necesidad de establecer un aumento en la
confiabilidad en las torres 10001 y 10005 de la planta combinada maya de la
refinería Fco. I. presentando una metodología óptima para el análisis de falla
lográndose determinar los mecanismos de falla en el casquete inferior de la torre
redestiladora de turbosina 10005 y de la línea del domo del lado norte de la torre
destiladora 10001, esta metodología nos llevó a descubrir y eliminar la causa raíz
de la misma en el proceso de destilación de la planta ya mencionada.
1.2Naturaleza del Problema
La planta combinada 100% crudo Maya inició su operación en el mes de marzo
del 2002. Desde su arranque se le ha dado un tratamiento químico con un
desemulsificante, un antiensuciante, un inhibidor de corrosión y una amina
neutralizante. La Destilación Combinada tiene el propósito de separar crudo
maya Unidad de 100% en gas húmedo, gasolina desestabilizada T-10001,
turbosina T-10005, querosina T-10004, diesel T-10003, gasóleo atmosférico
pesado T-10001 (GOPA), gasóleo ligero de vacío T-10006 (GOLV), gasóleo
pesado de vacío (GOPV) T-10006 y residuos de vacío (Fig. 1.1)
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 3
Figura 1.1 Vista general de la planta combinada maya, en la refinería Fco. I. Madero
La figura 1.2 muestra la fisura localizada en la parte superior de la línea sur de
vapor del domo de la torre fraccionadora T-10001 la cual fue reportada el día 1 de
enero del 2005, mientras que la figura 1.3 muestra un desgaste en la parte norte
de la misma línea del domo de la torre fraccionadora, inspeccionada la misma
fecha, la presente línea del domo del lado norte tiene 40% del flujo que sale de la
torre fraccionadora T-10001 y el lado sur el 60% restante. En algunas operaciones
se presentan múltiples condiciones causantes de deterioro, como la corrosión y la
erosión. Cuando esto ocurre, la pérdida del espesor del metal es bastante más
elevada que comparándolas en forma separada.
Figura 1.2 Fisura en línea sur de vapores
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 3
Figura 1.1 Vista general de la planta combinada maya, en la refinería Fco. I. Madero
La figura 1.2 muestra la fisura localizada en la parte superior de la línea sur de
vapor del domo de la torre fraccionadora T-10001 la cual fue reportada el día 1 de
enero del 2005, mientras que la figura 1.3 muestra un desgaste en la parte norte
de la misma línea del domo de la torre fraccionadora, inspeccionada la misma
fecha, la presente línea del domo del lado norte tiene 40% del flujo que sale de la
torre fraccionadora T-10001 y el lado sur el 60% restante. En algunas operaciones
se presentan múltiples condiciones causantes de deterioro, como la corrosión y la
erosión. Cuando esto ocurre, la pérdida del espesor del metal es bastante más
elevada que comparándolas en forma separada.
Figura 1.2 Fisura en línea sur de vapores
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 3
Figura 1.1 Vista general de la planta combinada maya, en la refinería Fco. I. Madero
La figura 1.2 muestra la fisura localizada en la parte superior de la línea sur de
vapor del domo de la torre fraccionadora T-10001 la cual fue reportada el día 1 de
enero del 2005, mientras que la figura 1.3 muestra un desgaste en la parte norte
de la misma línea del domo de la torre fraccionadora, inspeccionada la misma
fecha, la presente línea del domo del lado norte tiene 40% del flujo que sale de la
torre fraccionadora T-10001 y el lado sur el 60% restante. En algunas operaciones
se presentan múltiples condiciones causantes de deterioro, como la corrosión y la
erosión. Cuando esto ocurre, la pérdida del espesor del metal es bastante más
elevada que comparándolas en forma separada.
Figura 1.2 Fisura en línea sur de vapores
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 4
Figura 1.3 Desgasteen parte norte de la línea de vapores
La figura 1.4 muestra la presencia de estrías en la parte interior de la línea lado
sur del domo de la torre 10001 presentándose en la parte superior del cordón de
soldadura, a su vez la figura 1.5 muestra la vista exterior de la línea sur del domo
de la torre donde se observa la presencia de fugas alrededor del cordón de
soldadura.
Figura 1.4 Presencia de estrías parte superior del cordón de soldadura, vista de la parte
interna de la línea de vapores de la T-10001
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 5
Figura 1.5 Presencia de fugas en la parte externa de la línea de vapores alrededor del
cordón de soldadura
La figura 1.6 muestra la presencia de platos caídos en las torres lo cual
seguramente podría deberse a soportería mal asegurada, mientras que la figura
1.7 muestra las grietas de 1 ¾ “ por 1” de profundidad aproximadamente
presentes en la parte inferior del lado sur en el registro de entrada hombre
(manhole), vista desde el exterior.
Figura 1.6 Presencia de platos caídos en la torre 10005
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 6
Figura 1.7 Presencia de grietas en registro de entrada hombre T-10005 y zoom de las
grietas
La figura 1.8 presenta las grietas de aproximadamente 3/16”- ½” de profundidad,
localizadas a los costados del cordón de soldadura en la parte inferior del registro
de entrada hombre, vistas desde el interior de la torre 10005, así mismo en la
figura 1.9 se observa la perforación del laining de acero inoxidable perforado con
rupturas de aproximadamente 1 ½ “ de diámetro y desgaste alrededor de la
misma, localizada en el casquete inferior de la misma torre.
Figura 1.8 Perforación del laining y presencia de grietas localizadas en la parte inferior del
registro de entrada hombre en T-10005
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 7
Figura 1.9 Acercamiento de la perforación del laining localizado toda la superficie del
casquete inferior de T-10005
La figura 1.10 muestra el plato # 1 de la torre 10001 sin balastas con presencia de
corrosión moderada generalizada en las paredes del recipiente, en la figura 1.11
se observa la cubeta colectora con ligera acumulación de sedimento de color café-
rojizo, así como cascarillas de este.
Figura 1.10 Plato #1 de T-10001 sin balastas
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 8
Figura 1.11 Muestra la presencia de sedimento en el colector de T-10001
1.3 Antecedentes
En torres atmosféricas de monel es común que se presenten daños en los platos
superiores, muestras de monel y de acero al carbono, fueron instaladas en una
línea de salida de nafta pesada a 300°F (148.89°C), y el grado de corrosión del
monel fue el doble que el ocurrido en el acero al carbono. Mediante un
microscopio electrónico de análisis, un analizador de rayos X y espectroscopia de
dispersión de energía, se encontró que la muestra de monel indicaba altas
concentraciones de cobre presente, sugiriendo pH alto y probable corrosión por
aminas (Wilson, 2005).
En una torre de crudo, los cuatro platos superiores eran de monel. El sistema de
calentamiento era de acero al carbono. El ataque del monel se presentó cuando
se usó amoniaco como neutralizador, el amoniaco fue reemplazado por amina
neutralizante, y desde entonces no han tenido problemas con el monel en la torre,
el grado de inyección varío de 6 a 9 ppm y provee una excelente protección contra
la corrosión, resultando con ello una vida de los intercambiadores de más de cinco
años de exceso, hasta de 11.5 años (Welch, 2005).
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 9
El monel en sistemas de calentamiento de crudo puede ser atacado por hidróxido
de amonio a pH´s por encima de 10. Por supuesto que este problema sólo se
presenta a altas temperaturas en el rango de los 250°F (121.11°C) o más. El
monel es más atacado por H2S caliente que el acero al carbono. Esto ocurre en el
punto de rocío del agua en la torre, y el daño presentó corrosión localizada con
picaduras, encontrándose escamas en la parte de la superficie del metal en
contacto con el monel (Miller, 2000). El monel expuesto a superficies acuosas en
cloro, lo corroe a mayores rangos que al acero (Strong, 2004).
La corrosión en platos de monel de una torre de crudo se atribuye a las sales
neutralizantes que han sido reflujadas a la torre y han atacado a los platos de
monel. También mencionan que al tiempo que el agua solubiliza la película de
aminas incrementa la cantidad de agua que ha sido refluida dentro de la columna
la cual puede llevar los componentes que causan problemas (Vetters, 2001). En
la corrosión, los neutralizantes comerciales de aminas alrededor de varios
metales, incluido el monel, eran mucho más corrosivas las aminas difuncionales
que las aminas monofuncionales. Con respecto a las aminas monofuncionales, las
aminas primarias son más corrosivas que las aminas secundarias y estas a su vez
son más corrosivas que las terciarias (Cornish, 2001).
Por el aspecto científico, diversos ensayos del comportamiento a fluencia en acero
ASTM P91 (9% Cr, 1% Mo, pequeñas cantidades de V, Nb, N) estudiado la
superficie de fractura en el microscopio electrónico de barrido, reveló la presencia
de un considerable número de cavidades especialmente en aquellas
correspondientes a los ensayos de mayor duración. Sin embargo la morfología de
estas cavidades apunta en el sentido de que no se trata de verdaderas cavidades
de fluencia.
Las cavidades de fluencia tienden a situarse en la dirección transversal al eje de
carga y en el presente caso, como revela claramente la mencionada micrografía
de la figura 3, los agujeros se encuentran preferentemente alineados en la
dirección de aplicación de la tensión.
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 10
Este examen confirmó que las cavidades se encuentran únicamente en las
proximidades de la fractura y que su morfología es acusadamente alargada en la
dirección de la aplicación de la carga. Esto supone que la ruptura de las probetas
se ha producido regida por un mecanismo diferente del de difusión de cavidades
tuvieran unas dimensiones tan pequeñas que no pudieran ser detectadas en el
microscopio óptico (Calvillo, Atxaga e Irisarri, 2005).
Por otro lado en este estudio sobre el efecto de la susceptibilidad de fractura
interfacial sobre las propiedades de fatiga en la zona soldada de alta resistencia
en una pieza de acero, los aceros de alta resistencia como de doble fase son
atractivos para la industria del automóvil, ya que combinan alta resistencia y
buenas propiedades de conformabilidad (Hilditch, 2006). La alta resistencia de
estos materiales en comparación con el convencional acero permite, reducir el
peso del vehículo y la mejora de vehículo rendimiento, mayor resistencia de acero
con exposición a la fatiga mejora la vida en los ciclos de baja a la zona de falla
(Speer, 2006). Las interfaces de fractura (SI) a lo largo de la línea central de
soldadura se ha informado de lugar a una disminución de la sobrecarga y baja del
ciclo de resistencia a la fatiga de la soldadura (Matiock, 2006).
Un análisis realizados a un reactor alemán, el cual se realizó sobre una base de
los aspectos mecánicos de la fractura mediante métodos para determinar valores
de la dureza de la fractura de la prueba del espécimen de la escala pequeña que
se puede utilizar para predecir la iniciación de la grieta para las estructuras
grandes incluso bajo condiciones de cargamento complejas (Fohl, 1999).
Los conceptos de los esfuerzos mecánicos de la fractura fueron verificados para la
iniciación y la detención de la grieta. Tomar al estado multi-axial de la tensión en la
consideración tambiénla cantidad de crecimiento de grieta estable se podía
determinar en caso del cargamento de choque termal (Roos, 1999).
Una investigación de falla por creep en una planta petroquímica, después de dos y
de medios años de la operación, un tubo de la curva en un calentador que se
agrietaba en una planta del etileno falló debido a agrietarse del arrastramiento.
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 11
Los daños del arrastramiento ocurrieron como resultado de inestabilidad
metalúrgica incluyendo carburos eso el ablandar causado e iniciación de vacíos o
de grietas intergranulares cuneiformes (Batahgy, 2004). Esto era acelerado debido
a aumentar temperatura superficial interna durante proceso calentamiento. La
fatiga termal contribuyó a la falta como resultado de las variaciones de la
temperatura debido a varias operaciones del arranque de la parada. Para reducir
al mínimo tal falta en futuros, la inspección periódica de supervisar la formación de
la grieta programada. Las pruebas no destructivas incluyendo la prueba
penetrante del tinte para la superficie que se agrietaba y la prueba radiográfica
para la grieta interna fueron puestas en ejecución (Zaghloul, 2004).
1.4 Justificación
En la refinería Fco. I Madero de PEMEX, es necesario dar cumplimiento a las
disposiciones establecidas en el Reglamento de Seguridad e Higiene en el
Trabajo, al Sistema de Seguridad y la Protección Ambiental (SSPA) en su
elemento No.17 referente a Integridad Mecánica, a la Norma Oficial Mexicana
NOM-020-STPS-2002; con el fin de asegurar la integridad estructural y química de
los recipientes . Con base en lo anterior es necesario realizar un estudio completo
para contribuir a resolver s las fallas presentes en el circuito (T10001-10005)
proponiendo nuevos materiales y/o propuesta tecnológica para el mejor
aprovechamiento de la planta combinada maya.
1.5 Objetivo General
Determinar los mecanismos de las fallas en el casquete inferior de la torre 10005 y
de la línea del domo de la torre 10001, empleando una metodología que se
desarrollara específicamente para este fin mediante caracterizaciones químicas,
mecánicas y metalograficas, y así poder determinar el/los mecanismos de falla
presentes.
INTRODUCCIÓN CAPITULO 1
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 12
1.6 Hipótesis
Con la metodología propuesta para el análisis de fallas es posible establecer un
diagnostico de las causas que condujeron a las fallas, al mismo tiempo que se
determina el mecanismo de la causa raíz de las mismas logrando optimizar el
proceso de destilación.
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 13
CAPITULO 2
MARCO TEORICO
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 14
CAPITULO 2
MARCO TEORICO
2.1 Descripción del proceso primario atmosférico y al vacío
La destilación es un proceso que se usa para separar una mezcla de líquidos en
sus componentes individuales. Para hacer una separación por destilación, es
fundamental que los componentes de las mezclas tengan puntos de ebullición
diferentes. Entre más grande la diferencia entre los puntos de ebullición, más puro
los productos de la destilación.
La unidad de destilación atmosférica esta diseñada para obtener un máximo
rendimiento de destilados (nafta o gasolina y diesel), utilizando el proceso de
destilación fraccionada de crudo. En este proceso el crudo es sometido a
precalentamiento en dos trenes de intercambio térmico, desalado, despunte y un
calentamiento final para alcanzar la temperatura necesaria que permita la
separación de la mezcla de hidrocarburos.
La figura 2.1 muestra el proceso de destilación atmosférica el cual se inicia con el
precalentamiento del crudo proveniente de tanques de almacenamiento de
petróleo, en dos trenes de intercambio térmico mediante hornos para alcanzar la
temperatura requerida a fin de llevar a cabo el desalado del crudo, que es del
orden de 139 a 165 oC, para el crudo maya. Esta operación se efectúa en los
intercambiadores de calor. Después de precalentarse el crudo, se desala en uno o
dos trenes de desalado en paralelo o en serie cada uno, aquí se eliminan las sales
como NaCl y el H2O, a un valor mínimo del orden de menos de 1 lb NaCl / 1,000
Bls de crudo y menos de 0.5% agua y sedimentos, con el fin de evitar daños por
corrosión, principalmente en los equipos de calentamiento y destilación.
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 15
En seguida el crudo desalado se precalienta hasta 219-225 oC, en los
intercambiadores de calor contra residuo, para alimentarse a la zona de
vaporización de las torres de despunte.
Del fondo de cada torre de despunte, se obtiene el crudo despuntado el cual se
envía a los calentadores a fuego directo para calentarse a 368 oC que es la
temperatura requerida para alimentarse a la zona de vaporización de la torre
atmosférica.
De este proceso de destilación se obtienen los siguientes productos: gas licuado
que una vez endulzado se envía a esferas finales, gasolina amarga que junto con
la despuntada, una vez estabilizada se envía a tanques de almacenamiento para
su tratamiento posterior de endulzamiento eliminándole el azufre en los procesos
de hidrodesulfuración, turbosina que se envía a tanques para que de acuerdo a los
lineamientos de calidad continúe su tratamiento en las unidades de destilados
intermedios, queroseno que se envía una parte a tanques para utilizarla como
diluente.
La otra parte para preparación de tanques de diesel para el ajuste del 1 % de
azufre, gasóleos ligeros enviados a tanques para su utilización en la preparación
de diesel, gasóleos pesados que se envían a tanques para preparar mezclas que
sirven de carga a las plantas FCC, residuo primario (crudo reducido) que se envía
como carga a las plantas de Destilación al Vacío.
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 16
Figura 2.1 Proceso de destilación atmosférica [10]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 16
Figura 2.1 Proceso de destilación atmosférica [10]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 16
Figura 2.1 Proceso de destilación atmosférica [10]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 17
El crudo una vez reducido en la torre fraccionadora atmosférica (fondos) es
enviado a los calentadores a fuego directo para calentarse a la temperatura
requerida para alimentarse a la zona de vaporización de la torre al Alto Vacío.
En la torre al Alto Vacío se lleva a cabo el fraccionamiento del crudo reducido por
medio de vacío generado por eyectores colocados en el domo de la torre como se
observa en la figura 2.2 , de esta torre se obtienen los cortes de hidrocarburos
como son: Gasolina por el domo, Gasóleo ligero, Gasóleo pesado que se envía
como carga a las plantas catalíticas y por el fondo se obtiene el crudo reducido al
vacío que se envía como carga a la planta reductora de viscosidad y a tanques
para la preparación de combustóleo y asfalto.
Figura 2.2 Proceso de destilación al vacío [10]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 17
El crudo una vez reducido en la torre fraccionadora atmosférica (fondos) es
enviado a los calentadores a fuego directo para calentarse a la temperatura
requerida para alimentarse a la zona de vaporización de la torre al Alto Vacío.
En la torre al Alto Vacío se lleva a cabo el fraccionamiento del crudo reducido por
medio de vacío generado por eyectores colocados en el domo de la torre como se
observa en la figura 2.2 , de esta torre se obtienen los cortes de hidrocarburos
como son: Gasolina por el domo,Gasóleo ligero, Gasóleo pesado que se envía
como carga a las plantas catalíticas y por el fondo se obtiene el crudo reducido al
vacío que se envía como carga a la planta reductora de viscosidad y a tanques
para la preparación de combustóleo y asfalto.
Figura 2.2 Proceso de destilación al vacío [10]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 17
El crudo una vez reducido en la torre fraccionadora atmosférica (fondos) es
enviado a los calentadores a fuego directo para calentarse a la temperatura
requerida para alimentarse a la zona de vaporización de la torre al Alto Vacío.
En la torre al Alto Vacío se lleva a cabo el fraccionamiento del crudo reducido por
medio de vacío generado por eyectores colocados en el domo de la torre como se
observa en la figura 2.2 , de esta torre se obtienen los cortes de hidrocarburos
como son: Gasolina por el domo, Gasóleo ligero, Gasóleo pesado que se envía
como carga a las plantas catalíticas y por el fondo se obtiene el crudo reducido al
vacío que se envía como carga a la planta reductora de viscosidad y a tanques
para la preparación de combustóleo y asfalto.
Figura 2.2 Proceso de destilación al vacío [10]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 18
2.1.1 Componentes de la torre de destilación
A) El evaporador
La función del evaporador como su nombre lo indica es evaporar el líquido que se
quiere destilar y de esta manera suministrar vapor y calor al fondo de la torre, los
cuales se necesitan para efectuar la separación. El evaporador puede estar en el
fondo de la torre o puede ser un equipo diferente de la torre, el cual está
conectado a la parte baja de la torre por medio de una línea para líquido y una
línea para vapores.
Este último arreglo es el más común en la industria. Al evaporador se le llama
calderín en una torre de destilación continua (figura 2.3).
B) La torre
La torre es el equipo en el cual se separan los componentes de la mezcla de
líquidos. Las torres pueden ser de dos tipos: de bandejas y de relleno. La torre de
bandejas tiene una serie de platos, colocados uno sobre otro a iguales distancias.
La torre de relleno está llena de unas piezas pequeñas de metal, de cerámica o de
plástico que se llaman empaque.
Dentro de la torre siempre existe una diferencia de temperatura entre la parte alta
y la parte baja, ésta última siendo la más caliente. Por ésta razón, los vapores
menos volátiles se condensan al subir por la torre y retornan de nuevo al fondo de
la torre mientras que los vapores más volátiles (los que ebullen a la temperatura
más baja) suben por la torre y salen por la parte alta por la línea de vapor.
Las substancias más volátiles que salen por lo alto de la torre se llaman los "topes
de destilación", o el "material ligero" y las substancias menos volátiles que ebullen
a una temperatura más alta de la torre se les llaman "fondos" [7].
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 19
C) El condensador y el acumulador
El condensador es la tercera pieza en la torre de destilación. Su función es enfriar
y condensar los vapores que salen de la parte alta de la torre. El líquido luego
fluye al "acumulador de reflujo" que es un tanque donde se colecta el condensado
para luego alimentarlo a la bomba de reflujo. Esta divide el condensado en dos
partes, una que retorna a la parte alta de la torre para que baje por dentro de ésta
y condense las substancias menos volátiles y la otra que es el producto, al que se
le llama "destilado".
D) Colector o bandejas chimeneas
Es un colector que utiliza toda la sección de la torre y que permite el paso del
vapor que asciende, mediante elevadores. Se utilizan cuando se desea
contaminación mínima en el producto de fondo.
Las bandejas chimenea proveen tiempo de residencia adicional y una mejor
separación de líquido / vapor y eliminan el problema de goteo (figura 2.3).
E) Entrada hombre (Manhole)
La entrada hacia el interior de una torre de destilación es vía Manhole. Estos son
colocados en la columna, en forma tal, que cada uno sirve de 10 a 20 bandejas.
Los diámetros recomendables de Manhole varían entre 16 a 24 plg.
Cada vez que sea posible, deben orientarse en la misma dirección todos los
Manhole. También es preferible que todos los Manhole enfrenten el sistema de
acceso principal hacia la columna. Los Manhole alineados ocuparán un segmento
del total de la circunferencia de la torre, el cual no debe ser ocupado por ninguna
corrida de cañerías [7].
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 20
Figura 2.3 Corte Longitudinal de una Torre de Bandejas [7].
ESPACIO POR DONDE
BAJA EL LIQUIDO
REPRESAS CON SUS
SELLOS
COPAS DE
DESTILACION
ENTRADA DE
HOMBRES
PLATAFORMA Y
ESCALERA
PLATO PARA
ACUMULAR Y SACAR
LIQUIDO
CONECCION DE SALIDA
DE LÍQUIDO
SOPORTE DEL PLATO
PERFORADO
SOPORTES
ESTRUCTURALES
BANDEJA DE DISCO
BANDEJA TIPO
BUÑUELO
SOPORTE
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 21
2.2 Análisis de falla
Cuando un componente en servicio se vuelve inoperable, deja funcionar
adecuadamente o es ineficiente para seguir operando, se dice que ha fallado. De
acuerdo a esto, no es necesario que una pieza fracture para considerar que ha
fallado; sin embargo las fallas mecánicas son aquellas que resultan de la
deformación plástica y de fractura [8]. La falla mecánica puede ocurrir tres causas:
1) Que se rebasan los esfuerzos máximos permisibles en el material.
2) Que el material tenga propiedades mecánicas bajas.
3) Por la existencia de un defecto.
Las fallas no ocurren únicamente en servicio; una falla también puede ocurrir
durante la fabricación. El análisis de fallas tiene como fin primario determinar las
causas que originan una falla, pero también debe ser visto como un registro
permanente del evento.
Análisis de falla es una actividad destinada a descubrir y eliminar la causa raíz de
la misma. Es una tarea compleja que requiere varias etapas, agentes y
metodologías con la finalidad de saber cual fue el mecanismo de daño (ruptura,
creep, corrosión, etc.), las propiedades del material y bajo que condiciones estaba
operando, otras fallas, etc.)
Una vez conocidos los mecanismos de daño y como actúan, es posible: eliminar
completamente las fallas futuras, minimizarlas o conocer la velocidad de evolución
de forma a programar mantenimiento preventivo obteniendo beneficios como:
preservar el medio ambiente, eliminar las pérdidas de producción, aumentar la
confiabilidad de los equipos [1].
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 22
2.2.1 Análisis de fallas estructurales
Cuando un equipo es sometido a temperaturas más altas de las que fue diseñado,
a menudo ocurren distorsiones y debido a que los metales se hace blandos a altas
temperaturas, esas distorsiones pueden resultar en una falla en particular en los
puntos de concentración de esfuerzos. Si la temperatura llega a ser excesiva,
también pueden ocurrir en los metales cambios químicos y estructurales y llegar a
ser un equipo debilitado [2].
Las unidades de equipo de proceso pueden fallar en servicio por diversas razones.
La falla puede ser el resultado de una deformación plástica excesiva, elástica o
por termofluencia (creep). Como un resultado de tal deformación el equipo puede
fallar al no realizar su función especifica sin llegar a la ruptura.
La principal propiedad química que debemos considerar en el material que
utilizaremos en la fabricación de recipientes a presión es su resistencia a la
corrosión así como buenas propiedades de soldabilidad, dado que la mayoría de
los componentes son de construcción soldada [24].
En el escenario de la mecánica de materiales, se emplea una definición funcional
de falla o estado límite, la falla de unobjeto estructural puede significar la falla del
sistema al que pertenece. Ejemplo: La falla de una tubería que pertenece al
circuito primario de destilación puede detener la planta, hacerla fallar. Será
necesario conocer el mecanismo de falla, el cual es el proceso o secuencia de
cambios presentes en el material estructural cuando un equipo falla.
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 23
2.2.2 Escalas en el estudio en fallas de materiales
Algunas fallas son generadas a nivel de macro estructura y en algunos casos debe
referirse a la micro estructura del material.
Macro estructura
Estructuras y componentes estructurales entre 10 m y 10-1 m (automóviles,
aviones, edificios, infraestructura civil, etc). La figura 2.4 muestra una
macroestructura correspondiente a una infraestructura civil, el cual es un tubo de
hormigón para tratamiento de residuos. Relaciones debidas a elasticidad,
plasticidad [11].
Figura 2.4 Tubo de hormigón en una estación de tratamiento de residuos cloacales,
atacado por corrosión inducida por agentes biológicos [27]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 23
2.2.2 Escalas en el estudio en fallas de materiales
Algunas fallas son generadas a nivel de macro estructura y en algunos casos debe
referirse a la micro estructura del material.
Macro estructura
Estructuras y componentes estructurales entre 10 m y 10-1 m (automóviles,
aviones, edificios, infraestructura civil, etc). La figura 2.4 muestra una
macroestructura correspondiente a una infraestructura civil, el cual es un tubo de
hormigón para tratamiento de residuos. Relaciones debidas a elasticidad,
plasticidad [11].
Figura 2.4 Tubo de hormigón en una estación de tratamiento de residuos cloacales,
atacado por corrosión inducida por agentes biológicos [27]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 23
2.2.2 Escalas en el estudio en fallas de materiales
Algunas fallas son generadas a nivel de macro estructura y en algunos casos debe
referirse a la micro estructura del material.
Macro estructura
Estructuras y componentes estructurales entre 10 m y 10-1 m (automóviles,
aviones, edificios, infraestructura civil, etc). La figura 2.4 muestra una
macroestructura correspondiente a una infraestructura civil, el cual es un tubo de
hormigón para tratamiento de residuos. Relaciones debidas a elasticidad,
plasticidad [11].
Figura 2.4 Tubo de hormigón en una estación de tratamiento de residuos cloacales,
atacado por corrosión inducida por agentes biológicos [27]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 24
Micro estructura:
Estructuras y componentes estructurales entre 10-5 m y 10-3 m (micrones).
Formaciones características del material que lo definen en escalas de 50 a 250
µm: granos en aleaciones metálicas, fibras de compuestos, como se presenta en
la figura 2.5 el origen de fisuración de un acero. Relaciones fenomenológicas,
actualmente modelación de la micro estructura [11, 27].
Figura 2.5 Orígenes de fisuración por fatiga en un acero. [27].
Nano estructura
Elementos estructurales aproximadamente 10-9 m, (átomos). El nivel de
nanoestructura es estudiado mayormente por físicos y químicos. La nano-
tecnología intenta diseñar materiales en el nivel atómico [11]. La figura 2.6 es una
representación de la nanoestructura, donde se observa el mecanismo de
deformación de un cristal a nivel atómico.
Figura 2.6 Mecanismo de deformación de un cristal perfecto en nivel atómico [27]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 24
Micro estructura:
Estructuras y componentes estructurales entre 10-5 m y 10-3 m (micrones).
Formaciones características del material que lo definen en escalas de 50 a 250
µm: granos en aleaciones metálicas, fibras de compuestos, como se presenta en
la figura 2.5 el origen de fisuración de un acero. Relaciones fenomenológicas,
actualmente modelación de la micro estructura [11, 27].
Figura 2.5 Orígenes de fisuración por fatiga en un acero. [27].
Nano estructura
Elementos estructurales aproximadamente 10-9 m, (átomos). El nivel de
nanoestructura es estudiado mayormente por físicos y químicos. La nano-
tecnología intenta diseñar materiales en el nivel atómico [11]. La figura 2.6 es una
representación de la nanoestructura, donde se observa el mecanismo de
deformación de un cristal a nivel atómico.
Figura 2.6 Mecanismo de deformación de un cristal perfecto en nivel atómico [27]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 24
Micro estructura:
Estructuras y componentes estructurales entre 10-5 m y 10-3 m (micrones).
Formaciones características del material que lo definen en escalas de 50 a 250
µm: granos en aleaciones metálicas, fibras de compuestos, como se presenta en
la figura 2.5 el origen de fisuración de un acero. Relaciones fenomenológicas,
actualmente modelación de la micro estructura [11, 27].
Figura 2.5 Orígenes de fisuración por fatiga en un acero. [27].
Nano estructura
Elementos estructurales aproximadamente 10-9 m, (átomos). El nivel de
nanoestructura es estudiado mayormente por físicos y químicos. La nano-
tecnología intenta diseñar materiales en el nivel atómico [11]. La figura 2.6 es una
representación de la nanoestructura, donde se observa el mecanismo de
deformación de un cristal a nivel atómico.
Figura 2.6 Mecanismo de deformación de un cristal perfecto en nivel atómico [27]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 25
2.3 Modos de falla en elementos estructurales
La siguiente clasificación de la falla es de acuerdo a la causa externa, es decir,
según la condición de la carga y ambiente que condujo a la falla.
La fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la ruptura de los
materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con
cargas estáticas. Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo
repetidamente se rompe con facilidad.
La fatiga es una forma de ruptura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones
dinámicas y fluctuantes (puentes, aviones, etc.). Puede ocurrir a una tensión
menor que la resistencia a tracción o el límite elástico para una carga estática. Es
muy importante ya que es la primera causa de ruptura de los materiales metálicos
(aproximadamente el 90%) [23]. La región de la superficie de falla puede ser
caracterizada por dos tipos de marcas llamadas “marcas de playa y estriaciones”.
Ambas indican la posición de la punta de la fisura en algún momento y aparecen
como anillos concéntricos que se expanden a partir del punto o puntos de
iniciación, frecuentemente dando un patrón circular o semicircular. Las marcas de
playa, son de dimensiones macroscópicas (figura 2.7) y se pueden observar a
simple vista [6].
Estas marcas se encuentran en componentes que han experimentado
interrupciones durante la etapa de propagación, cada banda de marca de playa
representa un período de tiempo durante el cual la fisura ha crecido.
Figura 2.7 Presencia de marcas de Playas en un acero [6, 14]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 26
Por otro lado, las estriaciones de fatiga son de tamaño microscópico y solo
observadas con SEM. La figura 2.8 muestra sus características, se piensa que
con cada estriación representa la distancia de avance del frente de fisura durante
un ciclo de carga simple. El ancho de las estrías depende y se incrementa con el
aumento del rango de tensiones.
Figura 2.8 Características Estrías por fatiga en un acero [6]
Otro ejemplo de estriación se muestra en la figura 2.9 en la cual la amplitud de
las tensiones máximas ha cambiado. La apariencia de las estrías cambia con el
cambio de la amplitud de tensiones[3].
Figura 2.9 Estricciones de fatiga cuando se cambia la amplitud de tensiones [14]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 27
Se debe enfatizar que aunque las marcas de playas y estrías, que son
características de la superficie de fractura por fatiga, tienen apariencia similar,
ellas son diferentes en cuanto a su origen y tamaño. Puede haber miles de estrías
dentro de una sola marca de playa [8]. La presencia de marcas de playas y/o
estrías sobre la superficie de fractura confirma que la causa ha sido por fatiga, no
obstante, la ausencia de una o de ambas marcas no excluye a la fatiga como
causa de la fractura.
La fatiga con corrosión ocurre por acción de una tensión cíclica y ataque químico
simultáneo. Lógicamente los medios corrosivos tienen una influencia negativa y
reducen la vida a fatiga, incluso la atmósfera normal afecta a algunos materiales.
A consecuencia pueden producirse pequeñas fisuras o picaduras que se
comportarán como concentradoras de tensiones originando grietas [13]. La de
propagación también aumenta en el medio corrosivo puesto que el medio
corrosivo también corroerá el interior de la grieta produciendo nuevos
concentradores de tensión.
La alta reactividad de la superficie de la falla, combinada con el microambiente en
la cavidad de la grieta, que generalmente es mucho más agresivo que el ambiente
externo, conduce a una fuerte interacción de los procesos de corrosión y
fragilización con los procesos de deformación y ruptura de los enlaces atómicos
[9]. Cuando esta interacción es notoria se le denomina corrosión-fatiga.
El creep o termofluencia, es un fenómeno por el cual se produce deformación
inelástica en función del tiempo, por fuerzas de tensión constantes aplicadas en
materiales que se encuentran a determinadas temperaturas [5].
La termofluencia es un proceso activado por la temperatura, y esto significa que la
rapidez de alargamiento, para determinado valor de esfuerzo, aumenta mucho con
la temperatura. Sin embargo, se debe hacer notar que el término alta temperatura
es relativo, y que depende del material que se considera. El comportamiento de la
termofluencia es en extremo sensible a la microestructura del material, a su
procesamiento anterior y a su historia mecánica, así como a su composición [5].
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 28
Los tubos y torres sufren daño por creep dado que por ellos circula el crudo a altas
temperaturas y presiones. El creep en los tubos, para cada tipo de material,
comienza a ocurrir a determinada temperatura (para cierta presión de operación).
El creep es una de las causa de la ruptura de tubos después de un largo período
de operación. Una presión excesiva puede causar un rápido creep del metal
resultando en pandeos, agrietamientos y roturas [23].
Los mecanismos de deformación por termofluencia son varios entre los que se
encuentran: el mecanismo de termofluencia de Nabarro-Herring basado en la
migración de vacancias a través del interior del grano, que son paralelas a la
dirección del esfuerzo, la fluencia flotante es otro mecanismo de deformación en el
que las vacancias migran por difusión a lo largo de las fronteras de grano, y no por
el interior del mismo; el tercer mecanismo de deformación por fluencia, llamado
ascenso de dislocación, en este mecanismo, la dislocación sube una distancia
atómica, por migración de toda una fila de vacancias hasta el semiplano adicional
de átomos asociados con una dislocación de borde; el deslizamiento de fronteras
de grano es otro mecanismo más de acomodamiento de la deformación por
fluencia [5]. En él dos granos adyacentes se deslizan a lo largo de su límite común
bajo la acción del esfuerzo cortante.
El fenómeno corrosión puede ser definido también como el deterioro de los
materiales, a causa de alguna reacción con el medio ambiente en que son usados
[18,25]. Este fenómeno no siempre involucra un cambio de peso o un deterioro
visible, ya que muchas formas de corrosión se manifiestan por un cambio de las
propiedades de los materiales, disminuyendo su resistencia.
El caso de las aleaciones metálicas y particularmente el del acero el más
ampliamente difundido; en estos casos la corrosión se debe detallar con más
precisión basándose en la estructura atómica de la materia [26].
En este caso el átomo esta formado por un equilibrio de cargas positivas llamadas
protones y de cargas negativas llamadas electrones; los materiales tienden a
perder electrones o en otras palabras cierta energía, formando un ión positivo, la
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 29
cual se separa del metal perdiendo masa. Esto sucede cuando normalmente al
entrar un metal en contacto con un electrolito (medio conductor de corriente)
dando lugar a reacciones electroquímicas de oxidación y reducción.
Decimos entonces, que ha comenzado un proceso de corrosión en medio húmedo
con una circulación simultánea de corriente eléctrica, normalmente denominada
pila galvánica. Como hemos vistos, en el caso particular del acero han aparecido
algunos nuevo conceptos que toman parte del proceso de corrosión, lo que nos
lleva a una definición más específica: corrosión es un proceso de destrucción o
deterioro electroquímico de un metal por acción y reacción de éste con el medio
que lo rodea (reacciones de oxidación y reducción simultánea).
El ataque por hidrógeno es básicamente una reacción por descarburización, que
degrada las propiedades del material a las temperaturas de operación.
Es un mecanismo de daño asociado a los aceros al carbono y de baja aleación
cuando están expuestos en ambientes con hidrógeno a temperaturas del orden de
220ºC. Con el hidrógeno a presiones y temperaturas elevadas aumenta su
factibilidad a penetrar en la estructura del metal reaccionando con el carburo de
fierro y otros, dando como resultado metano según la siguiente reacción [27].
2H2+Fe3C→CH4+3Fe(α)
A temperaturas por encima de los 220 oC comienza la descarburización,
desapareciendo la perlita, y el hidrógeno ataca al Fe3C (libre + perlita) y a
temperaturas menores de 220 oC sólo ataca el Fe3C de la perlita.
El gas metano resultante no se disuelve en el fierro, por el contrario nuclea como
burbuja cerca de los carburos, luego en la medida que aumenta la presión interna,
se forman huecos y grietas. Los defectos generados reducen la resistencia y
ductilidad de los aceros [4].
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 30
El mecanismo de daño de Fragilidad por hidrógeno se presenta a temperaturas
menores de 450 oC siendo reversible y minimizable, por lo que se puede reducir
mediante ciclos de enfriamientos y calentamientos adecuados.
Es un daño que a diferencia del ataque, reduce la tenacidad del acero a bajas
temperaturas e impone restricciones en las etapas de partida y parada de los
procesos. Los aceros y aleaciones con mayores resistencias mecánicas son más
susceptibles a la fragilidad por hidrógeno, la martensita no revenida, los carburos
laminares de Fe3C son entre otros los más susceptibles al agrietamiento por
hidrógeno.
Para el caso de los aceros al carbono y aleados la dureza que condiciona la
resistencia, se restringe a un máximo de 22 HRC cuando trabajan en ambientes
hidrogenados [15].
Ampollamiento por hidrógeno es un mecanismo que involucra el daño por
hidrógeno en aceros no endurecidos y expuestos a temperatura ambiente y
cercana a ella. (menor de 450 oC). El hidrógeno atómico que penetra en el acero
forma hidrógeno molecular y se concentra en zonas defectuosas como son
concentraciones de inclusiones alargadas y límites de grano con inclusiones.
Algunos elementos presentes en los aceros, al ser expuestos a ambientes ácidos
y corrosivos favorecen la concentración de hidrógeno hacia el interior del acero, y
si se aumentala presión interna se produce la fisura o ampollamiento en las
zonas con mayores inhomogeneidades [16].
La inspección y detección del daño por hidrógeno es más compleja que
detectar fenómenos de oxidación y sulfidación. No existen evidencias visibles del
ataque y los métodos END convencionales son limitados. La descarburización se
detecta midiendo la dureza superficial y con metalografía de réplica. Pero la
profundidad del ataque, es decir, la descarburización interna y fisuramiento sólo
pueden determinarse con metalografía y medición de dureza a través del espesor
[15, 17].
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 31
2.3 Tipos y mecanismos de corrosión
Pretender hacer una clasificación de la corrosión, es un tema polémico, pues
nunca pueden abordarse todas las variables que lo afectan. Tomando en cuenta la
apariencia del material corroído, la corrosión puede clasificarse en: corrosión
uniforme, corrosión localizada [19].
Corrosión Uniforme: Se le considera la forma más benigna de corrosión, ya que
normalmente produce un deterioro aceptable que no podemos eliminar totalmente
por razones económicas.
Corrosión Localizada: Se le conoce como el fenómeno en que pequeñas zonas o
áreas del metal son afectadas, constituyendo con ello a la forma más peligrosa de
corrosión. Este deterioro queda clasificado dentro de la "corrosión inaceptable",
donde el factor económico se vuelve secundario y el factor decisivo es el grado de
confianza que se puede depositar en los materiales resistentes [27].
La figura 2.10 muestra los diferentes mecanismos de los fenómenos de corrosión
donde a) es el mecanismo de corrosión uniforme el cual es un deterioro
homogéneo en la mayor parte de la superficie metálica, lo cual facilita calcular la
vida útil del material corroído
Los fenómenos de corrosión localizada que se visualizan a simple vista se llaman
macroscópicos y los que necesitan una inspección por un elemento óptico de
aumento, se denominan microscópicos [19]. Dentro del deterioro por corrosión
localizada macroscópica se presentan b) corrosión galvánica que se presenta al
utilizar metales diferentes, que generan una diferencia de potencial en el medio
electrolítico conductor, c) la corrosión por erosión donde la velocidad de ataque
normal del medio agresivo electroquímico, es incrementado por un efecto de tipo
mecánico.
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 32
Se distingue el deterioro por erosión por líquidos, cavitación y fricción entre
metales. d) se observa la presencia de corrosión por hendidura donde el medio
agresivo se concentra en ciertas ranuras o huecos existentes en el material por
diseño o construcción, acelerando el ataque en esas zonas; e) corrosión por
picado se propaga hacia el interior del metal en forma de canales cilíndricos o de
otras formas geométricas, motivado por el deterioro de las capas pasivas por la
presencia de uniones agresivas (cloruros, percloratos, etc) [22].
Entre los deterioros más importante de la corrosión localizada microscópicamente
se encuentran f) corrosión intergranular que se observa como un deterioro que se
presenta entre las fases de una aleación, por tener diferente composición entre el
material del grano, la disolución de una fase es más activa que otra; g) la corrosión
bajo tensión se presenta con el aumento del deterioro al unirse los efectos del
medio agresivo, con los originados por tensiones mecánicas de tracción, ya sean
aplicados o residuales, los materiales se fracturan para valores de la tensión
inferiores al límite de fluencia; h) la corrosión por fatiga es el término que se usa
para describir el fenómeno de agrietaduras incluyendo la iniciación y propagación,
en materiales bajo las acciones combinadas de fluctuaciones, como fuerzas
cíclicas en un ambiente corrosivo, los daños de corrosión por fatiga, dependen
principalmente de la interacción entre cargas metalúrgicas y los parámetros
ambientales [27].
2.3.1 Factores que influyen en la velocidad de corrosión en medios aireados
a pH alcalino o neutro
Influencia de la velocidad de desplazamiento del electrolito sobre la superficie
metálica
Una mayor llegada de oxígeno a las regiones fuente de electrones provoca un
aumento de la intensidad de corrosión y por tanto un aumento de la velocidad de
corrosión. En línea con lo expuesto, cualquier variable que modifique la solubilidad
del oxígeno en el electrolito modificará también la cantidad de oxígeno disuelto y la
velocidad con que se llevan a cabo los fenómenos de su transporte.
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 33
Figura 2.10 Mecanismos de los fenómenos de corrosión [27]
Entre otros factores, dos de los más importantes que influyen en la solubilidad del
oxígeno son: a) la temperatura; y b) el contenido en sales del electrolito.
Influencia de la presencia de oxidantes más fuertes que el oxígeno
Si aparece disuelto un captador de electrones más fuerte que el oxígeno es éste el
que fija los electrones procedentes de la reacción anódica. Esto provoca que el
potencial catódico sea mayor que para el oxígeno y por tanto, un aumento en la
velocidad de corrosión.
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 33
Figura 2.10 Mecanismos de los fenómenos de corrosión [27]
Entre otros factores, dos de los más importantes que influyen en la solubilidad del
oxígeno son: a) la temperatura; y b) el contenido en sales del electrolito.
Influencia de la presencia de oxidantes más fuertes que el oxígeno
Si aparece disuelto un captador de electrones más fuerte que el oxígeno es éste el
que fija los electrones procedentes de la reacción anódica. Esto provoca que el
potencial catódico sea mayor que para el oxígeno y por tanto, un aumento en la
velocidad de corrosión.
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 33
Figura 2.10 Mecanismos de los fenómenos de corrosión [27]
Entre otros factores, dos de los más importantes que influyen en la solubilidad del
oxígeno son: a) la temperatura; y b) el contenido en sales del electrolito.
Influencia de la presencia de oxidantes más fuertes que el oxígeno
Si aparece disuelto un captador de electrones más fuerte que el oxígeno es éste el
que fija los electrones procedentes de la reacción anódica. Esto provoca que el
potencial catódico sea mayor que para el oxígeno y por tanto, un aumento en la
velocidad de corrosión.
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 34
Factores que influyen en la velocidad de corrosión en medio ácido Influencia
del pH
La intensidad de corrosión, y en consecuencia la velocidad de corrosión, aumenta
al disminuir el pH del electrolito.
Influencia de la sobretensión para la descarga de hidrógeno
Como la reacción catódica en estas condiciones es la reducción del hidrógeno, su
descarga sobre un metal requiere un sobrepotencial catódico. Así, la presencia,
como elemento aleante o impureza, de metales que presentan menor
sobretensión para la descarga de hidrógeno aumenta la velocidad de corrosión, ya
que se produce una elevación del potencial catódico.
2.4 Fracturas de materiales
La fractura de los materiales de ingeniería es casi siempre de hecho indeseable
por varias razones las que incluyen, la seguridad de vidas humanas, pérdidas
económicas, y la interferencia con la disponibilidad de productos y servicios [22].
Aún cuando las causas de la fractura y el comportamiento de materiales puede ser
conocida, la prevención de fracturas puede ser difícil de garantizar. Las causas
usuales de ello son la selección de materiales, procesado y diseños inadecuados
de los componentes o su mal manejo. Es responsabilidad del ingeniero anticipar y
planificar las posibles fracturas y, en el caso de que ocurran,determinar sus
causas y tomar medidas preventivas apropiadas para futuros incidentes.
Las fracturas que tienen lugar bajo una carga monotónica y que no son causadas
por el efecto de un medio corrosivo, se dividen en dos clases: fracturas dúctiles y
fracturas frágiles [22]. La fractura dúctil ocurre cuando la deformación plástica es
necesaria para la propagación de la grieta, con alta absorción de energía antes de
la fractura. La fractura frágil tiene lugar cuando la deformación plástica no es
necesaria para la propagación de la grieta y una baja absorción de energía antes
de la fractura.
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 35
2.4.1 Fractura Frágil
La fractura frágil es una particularidad de los materiales que tienen estructura
cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y hexagonal. Estos materiales tienen
suficiente ductilidad alrededor de la temperatura ambiente, pero se vuelven
frágiles como vidrio o un cerámico a bajas temperaturas, este fenómeno se llama
fractura frágil [12].
La superficie de fractura frágil esta caracterizada por dos tipos de marcas
llamadas “V-Shaped chevron” (figura 2.11) y “river patterns” (figura 2.12)
Figura 2.11 Marcas de V-Shaped chevron [12].
Figura 2.12 Patrones tipo “river patterns” característicos de la fractura frágil [12].
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 36
La dirección de movimiento de la fisura es aproximadamente perpendicular a la
dirección de las tensiones aplicadas y da una superficie de fractura relativamente
plana. Para la mayoría de los materiales cristalinos frágiles, la propagación de la
fisura corresponde a sucesivas y repetidas rupturas de los enlaces atómicos a lo
largo de planos cristalinos específicos, a este proceso se le conoce con el nombre
de clivaje [12]. El clivaje es el mecanismo de fractura más representativo de las
fracturas frágiles al mismo tiempo que es la forma de fractura más rápida y
consume poca energía y es causado principalmente por esfuerzos de tensión [8].
Macroscopicamente, la superficie de fractura tiene una textura granular o facetada
(Figura 2.13 ) como el resultado de cambios en la orientación de los planos de
clivaje de un grano a otro [21]. Esta característica es más evidente en una
micrografía electrónica de barrido (Figura 2.14a )
Figura 2.13 Fractura frágil característica de un acero de bajo % de carbono [21]
En algunas aleaciones, la propagación de la fisura se da a lo largo de los bordes
de grano, esta fractura se denomina intergranular. La figura 2.14b es una
micrografía electrónica de barrido que muestra una típica fractura intergranular, en
la cual se puede observar la naturaleza tridimensional de los granos. Este tipo de
fractura normalmente se produce luego de algún proceso que debilita o fragiliza la
región de bordes o límites de grano [17,21].
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 37
a) Transgranular b) Intergranular
Figura 2.14 Fractografias de barrido electronico mostrando una superficie
de fractura transgranular e intergranular [21]
2.4.2 Fractura Dúctil
Tal como se menciono anteriormente, la fractura dúctil ocurre por nucleación
(germinación), crecimiento y coalescencia de cavidades para formar una
magrogrieta. La nucleación tiene lugar en las inclusiones o en las partículas de
una segunda fase (carburos, por ejemplo) y se ve favorecida si las partículas son
frágiles, grandes, alargadas o si existe una baja resistencia de la intercara
partícula-matriz. Cuando se observa una superficie de fractura dúctil (figura 2.15
), se puede apreciar la existencia de numerosas cavidades alrededor de partículas
o inclusiones y el desgarro se produce al unirse dichas cavidades [12].
Figura 2.15 Nucleación de cavidades alrededor de las innclusiones en un acero [12]
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 38
En el caso de la presencia de una grieta grande en el material, estas cavidades se
inician y crecen delante de la grieta, donde las deformaciones son mayores, hasta
que se produce coalescencia y la fisura avanza [17].
En la siguiente figura 2.16a se muestra cómo el crecimiento de cavidades y su
conexión puede tener lugar por estricción del material entre ellas, como si se
tratara de pequeñas probetas de tracción. Este mecanismo esta asociado a
materiales con bajo endurecimiento por deformación, en los cuales la deformación
delante de las fisuras está extendida en un volumen relativamente grande.
En la figura 2.16b se aprecia que la deformación entre cavidades también se
puede presentar como localizada en bandas de cizalladura y este mecanismo se
denomina descohesión por deslizamiento, esta situación suele ocurrir en
materiales con poca capacidad de endurecimiento por deformación [4, 12].
Finalmente, en la figura 2.16c se muestra otro posible mecanismo, el cual consiste
en la delaminación que puede progresar en planos perpendiculares al plano de la
grieta. Este suele presentarse en materiales fuertemente anisótropico y que
exhiben una menor resistencia en la dirección normal a la fisura debido, en
muchos casos, a la presencia de inclusiones.
Figura 2.16 Diversos mecanismos de coalescencia de cavidades [12]
En aquellos materiales cuyas partículas están fuertemente adheridas a la matriz,
la fase de nucleación de las cavidades suele ser la etapa crítica, es decir, el
material se rompe apenas iniciada la nucleación. Por el contrario, cuando la
nucleación se genera con facilidad, las características de la fractura están
controladas por las etapas de crecimiento y coalescencia de las cavidades [4].
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 39
En este caso, para que el material rompa las cavidades deben alcanzar un
tamaño crítico, en relación con el espacio, y aparecer después de una
inestabilidad plástica entre ellas que conlleve el desgarro final.
2.4.3 Nucleación de cavidades
La observación de las rupturas dúctiles indica que las cavidades casi siempre se
nuclean en partículas de segundas fases. También se encuentran asociadas a las
fronteras de grano, aunque es un proceso mucho menos frecuente. La formación
de las cavidades puede ocurrir por separación de la intercara con la matriz cuando
la adherencia es débil (caso de las partículas de sulfuro de manganeso en los
aceros), o bien por la ruptura de las propias partículas, lo cual se ve favorecido por
una fuerte adherencia entre partículas y matriz (como ocurre en los precipitados
en las aleaciones de aluminio o los carburos y nitruros en los aceros) [4,22].
De forma convencional se acostumbra a clasificar a las partículas de segundas
fases en tres categorías:
a) Partículas grandes (1-20 m), visible al microscopio óptico
b) Partículas intermedias (0.05-0.5 m), visible solamente con el microscopio
electrónico
c) Partículas pequeñas (5-50 nm)
2.4.4 Crecimiento y coalescencia de cavidades
Se considera el proceso de crecimiento y coalescencia en presencia de un campo
de deformaciones uniforme como el de un ensayo a tracción de una probeta lisa.
Obviamente, en el fondo de una entalla o de una fisura, el campo tensional es
mucho más complejo. Si se supone que la densidad inicial de cavidades es
pequeña, entonces se asume que cada cavidad crece en forma independiente
hasta que finalmente interactúan y la deformación se localiza entre ellas,
produciendose estricciones locales y la ruptura final [12].
MARCO TEORICO CAPITULO 2
[] | ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento. 40
Una fractura muy típica que se observa en el ensayo de tracción es la fractura
copa-cono de los materiales dúctiles (figura 2.17 ). Aunque la deformación es
relativamente uniforme a través de la estricción, la fractura se inicia generalmente
en el centro de

Otros materiales