Análisis de Fallas 2 de 5

 

1 4  4 

NO RM

LIZ

IO N

17

P Ol otro lad o un co codiqo diqo es un co conj nj u nto d e es espccificaciones pccificaciones para p ara el e l a nalisis, disefio. di sefio. m anufac tu r a y cons co ns tr uccion de d e a lgo . SII pr oposi t.o se b asa en e n log ra r un gr a do es pedfico d e seg ur ida d , e ficie ficien n ci a y d esernpefio 0 ca lidad . Dcs dc el pu n t o d e la in cionados onados co ingenieria genieria m ec an ica r cla ci con n cl a na lisis d e falla d estacan algunas a lgunas n ormas t ales como: co mo:

• AA : Al Alum um inum Association •

A merican G ear M an u fac tu rers rersA A ssociation

 

 

c~ ?t

• AIS C : Am erican In st itu te of S teel Co nst ruct ion • AISI : Am erican Ir on a nd St eel In sti tu t e • ASM: Am eri can So Society ciety for M etals • ASt\ ASt\·IE: ·IE: Am eri can So Soci ciety M ech an i cal Engin eering •

V

ST M : Am eri can Soci et y o f Tes ting a n d M aterials

• AWS : Am Americ eric an Welding Society •

FB MA : An ti Fri ction B ear ingM an u fac tu r ers A ssoci at i on

• I FI : Industri al Fasteners In st i tu t e • ISO: In Inst st er n ational S t an dards O r gan izat i on • S   E: Soc iety of A utomoti ve En g ineering •

PI : Am erican P e tr ol eum In sti tu t e

y mu chas ot ras . Co mo un a mu es tr a d e la a rnplitud e n s u utilizacion utili zacion en e n la indu s tr ia. a co nt i nuacion nu acion se mu mueestran un a se serie rie de d e secc iones asoci a sociad a s a la indu stria Petro quimica. Lass prin cipales n o rm a s r elacionadas al La a l di sefio, insp eccio eccion n , d et eccion d e d ana d e pl an t as quimi quimicas cas y petroy analisis y pr evencion d e fallas a plica da s a e quipos de quimicas quimi cas asociadas a sociadas a fallas e n e quipos es ta ticos son: AS E , PI , AW AWS S , ASTl\ ASTl\ I  I y ANSI

.

..

.

 

 8

C  PiTULO 1

I  TRO

UCCION

 

Capitulo 2

Introducci n a l a M e c a n i c a 2 1

E stat ica: fu erzas   m o m en t o s

- Diagr ama d e cuerpo libr libree Repr esentacion esque esque m at ica de d e todas las s olic itac iones de d e un c uerpo una part e d c cste .

0

de

DS2lA-O .

- . reb

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p e ; w ~  

t\ ~  

Figura 2 .1: a . C uerpo som etido a la a ccion d e dos fuerzas fuerzas,, b . C uerpo som etid o

a la a ccion d e tr c s fucr zas : no paralclas) - Eqni librio E s ta tico: Para qu e un cu erpo se e ncuentre en e quilibr quilibrio io se d ebe cumplir c umplir qu e las s u ma  t orias d e fu fuerzas erzas y d c mo m ento s sobre e l d eben se r iguales igual es a cero ce ro . L

M; = O

L a r elacion de fuerzas fu erzas en e n un a transmi sion p or corr ea s , e ntre e l l ad o te nso F I

y el Iad o fiojo F  cst a da d a p or:

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20

C  P iTULO 2 . I N TR O D UCCI UCCIO ON

L

ME C

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11 ...

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2 .2: 2   Ejemplo de ca rgas e n eq equipos uipos indu in du s tr iales

\ S h a fl

\1 2: G ea earr 2 2 4· rnm d in in..

F ig igur ur a 2 .3 .3:: Fuerzas en e ng r

.-

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jes re r ect os

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.2. DINA.MICA

21

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Fi gu r a 2 .4: Fu Fuerzas erzas en e n Co rreas dond e T

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I -

 2   T

/I.. : coeficiontc de roco e ntre co /I correa rrea y p o lca , : a ngulo de d e a brazamiento e n radi anes,

F; : t ension en e n la correa T : Torqu e

2  2

Dln amica

Las ca rgas di n arnicas se ori ginan d ebido a un cambio de d e velocidad en e n los c ue uerr po s , e n es t e ca.. ..o o la lass ec ua c iones de d e e quilibrio pa p a san a se serr e cuaciones d e movimiento, mo vimiento, qu e e n e l c aso pl ano se pu eden esc ribir de d e la s iguiente ma n era, L

fi

=

c

d on d e: m es la m asa d el c uerpo uerpo,, a es la a celeracion d el cent ce nt ro d e m asas, J es e l m omenta d e in inercia ercia d e rn rnasa asa res pecto d e eje qu e p asa p or e l ce cent nt ro d e rn rnasas asas y Q es la a celeracion a ng u lar de l c ue uerr po . E I conc c onc ept» d e trabajo (q ue es e quiva quivale lentc ntc a c ncrgia) se e xpress de d e la s ign ien t e for m a W

F ·D

es el tr abajo d esarroll ado por la fuerza fu erza F que qu e rep r esent a la fuerza qu e r ealiza t ra bajo , D es la di distan stan cia qu e se dc splaza la Iu Iucrza crza en la di r eccion Dond e:

d e esta

esentado do por e l p ro du cto punt o (-) . 10 q ue qu eda r ep r esenta

La po t en cia P qu cda ex p resada p or la r ela ci cion: on: P = Tw Dond e P es la p ot encia m eca ecanica nica , T es e l t orqu e a plicado y a ng u la lar. r.

..

w

es la ve veloci locida d

 

22

TU LO C  PiTU

2 3

2.

NTRO

UCCION

L

ME C 

NIC

Definicion de Fallas

L as ca usas fu n da me n ta les d dee fallas se pu eden a tribuir , e n gen e ra l , a a lguno d e los si sigui gui en tes as p ec t os 0 a un a co com m bi nacio n d e ellos:

2 3 1

Falla de material y / 0 de fabricaci6n

Fallas llas e n la es t ruct ura int er n a d el ma t erial mp er fe cciones d el m at erial. Fa o disco discontinui ntinuida des macroscopi m acroscopiccas , co como mo p or eje m plo: in clusiones clusiones,, segregacion , osidad idad es, pli egues, etc e tc . , so son n p rodu roducc to ge gene ne ra lme nte d e los p rocesos d e m anpo r os u fa facc tu r a tales co como mo , fun dicion , lamin acio acion n , for orjj a , so sollda dura y o t.ras. D efic eficien ien cias e n pr ocesos . Al gu n os pr ocesos ocesos,, co como mo par ej empl o d e co nfor ma do e n frfo 0 p rocesos d e m a qu i n ad o , i nd u ccn e sf sfu u e rz os resid resi d ua les c uya p rese ncia cs , e n ge neral neral,, eq uiva lente a un a di sminu ci cion on en las p ropiedades m eca ecani ni cas, E n p ro cesos e n ca lie nte pu ede pr od u cirse d es carbu racion su s u pe r ficial ficial,, 10 qu e di sminu ye l a rcs istc ncia a la fa tiga . T ratami c nto s t e r m icos r cal calizad izad os en en con d ic iones i na de c ua das p ueden p ro ducir micro mi cro 0 m acrofi acrofiss ura s.

2 3 2 

Falla de disefio

e l nivel niv el d e es es-Deficienc eficiencii as e n e l di disefio, sefio, D imension am i ento in adecuado p ara el fu e rz rzos, os, cfcctos n o co considc nsidc ra dos de co concc ncc ntradores de csfuerzos cs fuerzos , m odif odifii cac cacii ou es p osterior es al di sefio ori ginal. D eficie eficiencias ncias e n la se sell ec cion del d el m at erial. E l m ateri aterial al qu e se ut il izara pa ra la fabri ca ti on d e un a pi pieza eza , d ebe ser se r a dec ua da mc ntc so soleccionado leccionado co considc nsidc ra nd o l as r esi esiss tencias m ec ecani ani cas p ar a las solicso licit aciones a l a s q ue es t a so metido , y a de rna rnass se d eb er an co conside nside ra r l as condiciones co ndiciones ge ne ra les de d e o peracion p ar a es especificar pecificar ca racterfsti rfsticas cas co como mo r esis esistt encia a l d esgaste , a l a corrosion , te mp e rat ures cle vadas , et c .

2 3 3

Falla de m a n te n c io n

Un o d e los facto actorr es m as im p or t an t es e n el o rigen d e las fallas es un in aclec uado m a ntenimie nto d e los eq uipos, ya sea p or fal t a de conocimie conoc imie nto d el ma nte nimie nto adec adecuado uado n eces ar i o, p ostergaciones d e m an t enimiento pr ogr am a do , inadecu in adecu ad o s iste ma de m a nt enimi ento 0 inadecuado p ro ceso de m an t enimiento de los e quipos.

2 3 4

Falla de operaci 6 n

E n o res en e  mon t aje u o peracion inadecuad inadecuadaa . E n rn rnu u ch chas as s it u a ciones da n o rigen a fallas en e n se servicio rvicio de d e pi piezas ezas 0 e lem e n tos, la ca usa fun d am ental es u n mo ntaje d efectu oso d e los eleme ntos 0 bi bien en , co ndiciones de d e ope o pe ra c ion impropias .

 

2 4

COMPORTAM CO MPORTAMIE N T O D E M

T ERI LES Y T EORf S D E P LL S 23

L os m an d os s up e riores mu y a m enud o co noce n p oco de d e los fac to res y co nd i  ciones qu e produ cen u na falla. Fr Frecuentemente ecuentemente   d esp u es d e un a falla en e n terre ne   los co cornponen rnponen tes q uizas grasosos 0 in crustados con co n s ucieda d y ox oxide ide son ll lleva eva dos ra pi d a mente a l d epart am ento d e in ingenierfa genierfa dond e se espe ra un a r e sp u esta inm edi at a so sobre bre la la ca usa d e la falla. Esta ac t iv ivii da d n o ay u da y m as bi bien en e ntor pece un a inv investigacion estigacion creando un a pr esion in d ebid a a l in vestig ad or. La iin ica co ntra me d ida es un a e d ucada pacie n  c ia.

2.4.

Comportamiento de Materiales

Teorias

d e Fallas 2.4.1.

Concepto de Esfuerzo e n un P u n t o

T \ ,1

\

0

lU

cl1l

Fi gu r a 2 .5 : Re presen ta c ion de d e es fuerzos en un punto E I es fuerzo es un vec tor c uya m agni tud se mi d e e n unid ad es d e fu fuerza erza p OI un i dad d e area . In teresa estu d iar los ti pos d e es fuerzos qu e se pr es en t an en u n a

es t ruct ura ca d a un o e n fo forr   a in d ep en d ien t e. L a combi ua c iou d dee es t os es fuerzos da o rigen a l est udio de d e t c or i as d e fa fallas. llas. Los t ipos de d e es fuerzos c las icos qu e se pu eden pr esent ar e n un a pi pieza eza d e m aq u ina: - T racc ion - CO   p resion - Corte tr ansversal - F lex ion - To rsion Los pr incipales cnsayos m cc an i cos son: - Traccio ion n  - du r eza

 

4

CA P iT ULO

2 . IN TRO DUC D UCCION CION A LA MECANICA

Form a

d e la

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F igura 2 .6: Comp or t amiento de m at e ri a les les,, e nsayo de d e trac cion Compor

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24

C OMPORTAMIENTO DE

M

T ERI

L ES

Y T EORi S DE FALLA S 25

- im pacto . E nsayos de d e du reza: Rockwell, Vi Vickers, ckers, B rinell y Sh ore. E n ge general neral la la du r eza se expresa ex presa co como mo un a fu fuerza erza po r unidad unid ad d e a rea d e l a mu esca d ejada por e l id iden en ta d or . E nsayos de mp acto: C ha r py py,, Izod y t raccion al imp acto E I va valor lor de im pa cto corre co rress pon de a Ia e nergia a bsorb ida e n e I ensayo. Los ensayos C ha rpy e Izo zod d , corrcsponden corrcsponden a e nsayos de flexion flexion ,

2.4.2.

Ensayo de Traccion Uni axial

Se ge nera un a tabl a d e va valores lores seg segun: un: E l e nsayo de d e t raccion se r ealiza en e n un a m aquin a d en omin ad a : M aquina U n i versal d e E nsayos. Algu Al gun n o d e lo loss facto fac to res qu qu e in inciden ciden en e n d et ermin ar los esfuerzos es fuerzos de d e flu fluencia encia y d e ru p tu r a so son n los tr a ta m ien tos t crmico crmicoss qu quee se les d a a los m at.eriales at.eriales,, ta l como se mu est ra e n la figu r a 2 .7 .7.. /

-

-

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300 241

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103 10 35

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Acero

100 1000 0 , d on d e la pr opagacion d c las g r iet s se p rodu cen a esfuerzos esf uerzos men men o res al es esfuerzo fuerzo de d e ftu ftuencia encia . La s upe rfic rficie ie de d e la p ieza fr fraa ctur a por fa fatiga tiga de a lto mi rn rner er o d e ciclos, n or m al m en t e pr es ent u na for m a ca r   ct erfst.ica, co n dos zo zonas nas cla rame nte d efinidas efinidas:: un a zo n l isa y brill ante, con co n lfneas lfn eas d e a va n ce qu e co corresponde rresponde a la zo n d e p ropagacion d e la gr iet y un a zo na ru gosa qu e co rrcs po udc a la fr ctur a fin final. al. E n la falla con con b ajo mi m ero d e ciclos, cic los, la la s uperficie es simi la r , pe ro la zon de ava nce de d e la g riet n o es n ecesa ecesarr iament e lisa lisa . La figu r a 2 .16 m uest ra distintos m odelos tipi cos de es fuerzo va variables riables llos os q ue se pr es en t a n e n m   quinas y e qui po s , do nde po d emos ver esfuerzos es fuerzos tot lm lmente ente invert.ides, inv ert.ides, esfu erzos ftu ftuct ct u   nte y es esfuerzos fuerzos i rregu lares y a le to rios. E n ge gene ne r l las griet.as g riet.as por fa tig fuerza fu erza..

ti enen di r eccion o rtogo nal a la lass Iin Iineas eas d e

.  

34

C

Pi TU LO 2 . I T RO

UCCION

L

ME C NIC

Fi gu r a 2 .17: Al gu n os cje mplos clasicos de d e pr opaga opagaci cion on d e g rict.as por p or Iat iga

2 6 1

P a r a m e tro s q u e influ ye n e n la r u p t u r a a la fatiga

F o r m a e n q u e se aplica n l os esfuerzos

Frecuencia: Fr ecuencia: E n ge general neral se o bserva poca p oca varia cion del lfmit e d e r esisten cia a la fat i ga con la vari acion d e la frecuencia fr ecuencia d e la ca rga . 2 ) For m a de aplicaciou apli caciou d e los esfuerzos es fuerzos : Se h a co comprobado mprobado qu e la hi stori a d e la ca rga d e la pi pieza eza ti ene gr a n im p or t an cia en la la falla po r fatiga. Te nsiones int in t er n as 0 res id u ales ales:: L a di stri stribu bu cion de d e e sfue fuerzos rzos re r esidu ales se s um a a la d istri bu cion d e es esfuerzos fuerzos ca us a da p o r la s solicitacion es ex externas ternas . E n ge gene ne ra l se pu cde d ecir qu e lo loss es fuerzos re r esiduales d e t raccion di sminuycn la r esisten cia a la fatiga d e u n e leme nt o , e n ca mbio los los es esfu fuee rzos re r esidual es por cornpresion co rnpresion contr ibuy ibuyee n a a ument a r la du r a c ion d e la p ieza D im ensiones y es t ado superficial d e las p ie z as

Dim ensiones : Se ha co comproba mproba do qu qu e la lass p ropi edades d e r esis esistt encia m ecanica d e u na pi pieza, eza, di sminuyen a m edida qu e a ume nta e l ta m aiio d e la mi misma, sma, E ste mismo mi smo fenomeno oc urre co con n la r esistencia a l a fatiga .

.

.'

...

 

 

2  6  6   TEORi

S

DE

35

FALLA A LA FATICA

Esfuenonomnal ba bajo jo

Esfuono nom nominal inal lito lin concenlr,ciOn concenlr,ciOn de ftfu en os

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