03-modos de falla en componentes estructurales para imprimir

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Defectos en Soldadura, Su Significación

sobre el Comportamiento en Servicio



Modos de Falla en Componentes

Estructurales soldados



DEFECTOS EN SOLDADURA Y SU SIGNIFICACIÓN SOBRE ELCOMPORTAMIENTO EN SERVICIO.

• La soldadura sin defectos es una idealización difícilmente

alcanzable en la práctica. El inspector de soldadura debeconocer de qué manera la presencia de estos defectos afectanel comportamiento en servicio de una soldadura.

• La presencia de defectos en una soldadura puede determinar e

acortamiento de su vida útil. Es necesario poder detectarlos enuna etapa temprana de su aparición sea durante la construccióndel componente o durante el funcionamiento en servicio.

• Las fallas en servicio de uniones soldadas como consecuencia

de la presencia de defectos puede adoptar algunas vecesformas catastróficas. De aquí la necesidad de identificaraquellos defectos que pueden conducir a este tipo de fallas.



• El conocimiento por parte del Inspector de Soldadura sobrelos mecanismos conducentes a la formación de los distintostipos de defectos le permitirá tomar acciones efectivas paracontribuir a impedir su aparición durante la construcción deun componente soldado.

• Un mismo defecto puede tener consecuencias diferentes si

está sometido a distintas condiciones de servicio. Elconocimiento del comportamiento de los distintos defectoscuando varían esas condiciones harán del inspector unintérprete mas lúcido de la documentación técnica aplicablea una obra.



• Componente estructural : cualquier elemento cuyafunción primordial sea la transmisión de esfuerzosmecánicos o la retención de presión.

• Discontinuidad: cualquier aspecto o detalle geométrico,metalúrgico o mecánico que no se encuentre previsto enel diseño original del componente que por su magnitud ocaracterísticas no afecte la performance ni la vida útil del

componente.

• Defecto : cualquier aspecto o detalle geométrico,metalúrgico o mecánico que no se encuentre previsto enel diseño original del componente que por su magnitud o

características pueda afectar la performance o la vida útildel componente



• Concentrador de tensiones : toda discontinuidad geométricasevera o defecto de tipo geométrico que tenga la propiedad demodificar el campo de tensiones en forma local incrementandoel valor de las tensiones en su vértice. Cualquier cambiobrusco de sección o la presencia de una discontinuidad odefecto planar, constituyen en general un concentrador detensiones.

• Discontinuidad (defecto) planar : Toda discontinuidad (defecto)

que por su forma pueda considerárselo contenidoesencialmente en un plano. Las fisuras constituyen el ejemplomas típico de este tipo de discontinuidad (defecto).

• Discontinuidad (defecto) volumétrico (o no planar): Toda

discontinuidad (defecto) que por su forma no puedaconsiderárselo contenido en un plano. Las inclusiones deescoria y la porosidad constituyen el ejemplo mas típico deeste tipo de discontinuidad (defecto).



ESTADISTICA MUNDIAL DE FALLAS EN EQUIPOS CONDUCENTESA GRANDES PERDIDAS (D.Mahoney 1992)



Una unión soldada en un componente fabricado puedefallar en servicio como consecuencia de la presencia de un

defecto. Los modos que puede tomar esta falla son

diversos. Los mas importantes son:

Inestabilidad elástica (pandeo local o generalizado) Excesiva deformación elástica (atascamiento)

Excesiva deformación plástica (fluencia generalizada) Inestabilidad plástica (estricción, pandeo plástico) Fatiga de alto ciclo y bajo ciclo Corrosión, erosión, corrosión-fatiga, corrosión bajo

tensiones, etc. Creep y creep-fatiga Fractura rápida (frágil,dúctil,mixta)



La diapositiva anterior menciona los distintos tiposde falla que pueden ocurrir a un componenteestructural en general. Sin ser un listado

exhaustivo, incluye los mecanismos de falla masfrecuentes e importantes.

Pude verse que estos mecanismos son múltiples y

que en algunos casos puede existir unacombinación sinérgica entre ellos.

Algunos de los tipos de falla mencionados sonmas o menos relevantes para el caso de uniones

soldadas. En lo que sigue los iremos analizandoindividualmente, prestándoles mayor o menoratención según esta relevancia.



Esta diapositiva muestra un caso

común de inestabilidad elásticarepresentado por el pandeo deuna columna de sección “U” enla que se ve la deformación

experimentada por las alas de lamisma como consecuencia delesfuerzo de compresión aplicadoque ha superado la carga crítica.



Bajo ciertas condiciones un material que haalcanzado la condición plástica puede

inestabilizarse y conducir rápidamente a uncolapso plástico. Un ejemplo conocido deeste fenómeno es la estricción que precede ala rotura en el ensayo de tracción de unmaterial dúctil. La inestabilidad plásticapuede ser responsable en otros casos de lapropagación rápida de una fisura, dando así origen a un fenómeno de fractura dúctilrápida. Hoy se sabe que muchas fallas

catastróficas que en el pasado fueronatribuidas a fracturas frágiles, tuvieron suorigen como inestabilidades dúctiles.



Rotura de un eje producida por fatiga



La fotografía anterior corresponde a lasuperficie de fractura por fatiga de un eje

sometido a flexión rotativa. Puedeobservarse que la fisura por fatiga se inicióen el concentrador de tensiones introducidopor el chavetero. También se ven claramentelas llamadas “líneas de playa” que denotanlas sucesivas posiciones del frente de fisurahasta que se produce el colapso final de la

sección remanente. Puede observarse la bajadeformación plástica asociada a la rotura.



Soldadura transversal a tope que presentafisuras por fatiga en el talón



La figura anterior muestra una soldadura atope solicitada transversalmente por cargasvariables en la que se ha generado unafisura por fatiga a partir del talón de la

sobremonta. Puede observarse también unafisura secundaria.Veremos qué significa que la fisura se hayainiciado en el talón de las sobremonta.



Fisura por fatiga originada en elconcentrador formado por el respaldo

permanente



La fotografía anterior muestra una fisura porfatiga a través del cordón de soldadura,iniciada en el concentrador formado por lapresencia del respaldo permanente.

Por esta misma razón muchas veces loscódigos limitan o impiden el empleo de estetipo de respaldo



Reproducción deun artículoperiodístico

referido a unevento de falla porfatiga en unaplataforma deexplotaciónpetrolera “costaafuera” que pudo

haber conducidoa una fallacatastrófica.



Fractura frágil de un recipiente de presióndurante la prueba hidráulica



Fractura frágil a lo largo de la HAZ de una soldadura enun recipiente de presión



La fotografía anterior ilustra el caso de unafractura frágil a lo largo de la HAZ del cordón desoldadura de un recipiente de presión. Puedeverse claramente la naturaleza catastrófica deeste tipo de falla.Obsérvese la ausencia casi completa dedeformación plástica a nivel macroscópico.Analizaremos qué motivos pueden existir paraque la fractura se haya propagado en esa zonaen lugar de haber seguido una camino aleatorio.



Un caso clásico de fractura rápida (frágil). TankerT-2 USS Schenectady, acaecida con la nave en

puerto, amarrada y descargada.



La fotografía anterior ilustra uno de loscasos de fractura frágil mas difundidos en la

literatura técnica. Se trata de la roturacatastrófica del tanker T-2 USS Schenectady,acaecida mientras la nave se encontrabaamarrada en puerto y descargada. Este caso

ilustra con elocuencia las característicascon que suele presentarse una fracturarápida, es decir:• rotura sorpresiva• ausencia de sobrecargas• diseño “clásico” correcto



De los aproximadamente 5000 barcos de la serieLiberty, Victory y tankers T-2, que los EE.UU.

construyeron en los años 1940-45, unos 800 sufrieronfallas estructurales importantes y unos 200 fracturasmayores.

Dado que estos buques incorporaban el concepto de

viga buque soldada, se puso en evidencia algunarelación entre el uso de la soldadura y los problemas defalla por fractura rápida.

Esta circunstancia llevó al inicio de un programa de

investigación en el tema que condujo al desarrolloactual de la Mecánica de Fractura.



La fractura frágil se producepor separación de planosatómicos bajo tensionesnormales



La fractura dúctil se produce por

rotura plástica de los ligamentosentre partículas

P d l t



Puede verse claramenteel patrón “Chevron” típico de la fracturafrágil, asociado a una

baja deformación plás-tica en la superficie defractura, que esesencialmente perpen-dicular a las superficies

de la chapa. La fracturadúctil se caracteriza porsu aspecto fibroso,ausencia del patrón“Chevron” y una super-

ficie de fractura oblicuacon relación a lassuperficies de la chapa.

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