“EVALUACIÓN DE DESALINAMIENTOS EN...

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Ing. Aníbal Rozas Gallegos

“EVALUACIÓN DE DESALINAMIENTOS EN SOLDADURA”

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INTRODUCCIÓN.

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

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DESALINEAMIENTO

HAY DE VARIOS TIPOS…

1.- Desalineamiento de juntas a tope en planchas planas:

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

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

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

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

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

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DEFINICIÓN DEL PROBLEMA (caso mas sencillo)

Un modelo simple de este tipo de desalineamiento puede ser hecho considerando una viga con dos partes desalineadas en su centro, como mostrado en la Figura, y sometida a tensión. El desalineamiento producirá un momento aplicado en el centro de la viga, que conduce a esfuerzos adicionales, los cuales serán esfuerzos de flexión

Figura – Representación del problema de desalineamiento.

El esfuerzo de membrana será:

El esfuerzo de flexión será:

Donde el momento producido es:

El esfuerzo resultante será:

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El problema planteado es la evaluación de desalineamientos en soldaduras unidas a tope con espesores similares,

Se puede verificar • Con procedimientos de aptitud para el

servicio, siguiendo los criterios de aceptabilidad del Nivel 1 y 2 de API 579-1/ASME FFS-1, parte 8.

• Con métodos numéricos (FEA)

• Con Métodos experimentales.

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¿APTITUD PARA EL SERVICIO?

Según API 579-1/ASME FFS-1 es: “una evaluación cuantitativa de ingeniería realizada para demostrar la integridad estructural de un componente en servicio que puede contener un daño o falla”

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Evaluación según API 579-1/ASME FFS-1 Se evalúa el defecto de

desalineamiento por falta de coincidencia en la línea central según los criterios de evaluación del Nivel 1 y Nivel 2 de acuerdo a lo propuesto por 579-1/ASME FFS-1.

Los especímenes a evaluar consisten en 2 piezas de acero de ¼” de espesor, ASTM A-36 soldadas entre sí con un desalineamiento por falta de coincidencia presente en la junta. Se evalúa este caso para diferentes valores de desalineamiento, con valores del 15%, 30% y 50% del espesor respectivamente. Se evalúan para juntas circunferenciales y longitudinales las cuales se esquematizan en la figura. Figura – Esquema de juntas a evaluar

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Evaluación

Código de Construcción. Tipo de Junta 15%

desalineamiento 30%

desalineamiento 50%

desalineamiento

ASME B&PV Code, Sección VIII,

División 1 y división 2

Junta

Longitudinal ACEPTABLE INACEPTABLE INACEPTABLE

Junta

Circunferencial ACEPTABLE INACEPTABLE INACEPTABLE

API STANDARD 620 Juntas a Tope ACEPTABLE INACEPTABLE INACEPTABLE

API STANDARD 650

Junta

Longitudinal ACEPTABLE INACEPTABLE INACEPTABLE

Junta

Circunferencial ACEPTABLE INACEPTABLE INACEPTABLE

EVALUACIÓN SEGÚN API 579-1/ASME FFS-1 – NIVEL 1.

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a) PASO 1

Espesor del material: 0.25 pulgadas

Desalineamientos a evaluar: 15% (0.0375”), 30% (0.075” ) y 50% (0.125”)

Sa = 16,600 psi

b) PASO 2

Determinar el espesor de pared a ser utilizado en la evaluación

tc= 0.25” (asumiendo que no existe corrosión)

c) PASO 3

Determine el esfuerzo de membrana, 𝜎𝑚𝑠, a ser utilizado en la evaluación

𝜎𝑚𝑠 = 16,600 𝑝𝑠𝑖 (máximo posible)

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d) PASO 4

Calcule la relación del esfuerzo de flexión inducido al esfuerzo aplicado de membrana, 𝑅𝑏𝑠𝑝𝑐

, utilizando la ecuación, basadas en el tipo de componente y desalineamiento de soldadura, y el espesor determinado en el PASO 2

𝑅𝑏𝑠𝑝𝑐

= 1 +6𝑒

𝑡1𝑐1 +

𝑡2𝑐

𝑡1𝑐

1.5 −1

Donde 𝑡1𝑐 = 𝑡2𝑐= 0.25”

Y e15% = 0.0375”, e30% = 0.075”, e50%= 0.125”

Sustituyendo:


15% = 1.45


30% = 1.9


50% = 2.5

Rb = -1.0 (debido a que se trata de una plancha plana)

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e) PASO 5

Determinación del Factor de Esfuerzo Remanente – RSF (Remaining Strength Factor)

El Factor de Esfuerzo Remanente (RSF) ha sido introducido para definir la aceptabilidad para servicio continuo de un componente que contenga un defecto en términos de criterio de esfuerzos elasto plástico no-lineal y se define como:

RSF =Ldc

Luc

Donde Ldc es la carga límite o de colapso plástico para el componente que ha sufrido degradación o daño, y Luc es la carga límite o de colapso plástico para el componente que no muestra daño.

En la parte 8 de API 579-1/ASME FFS-1 el factor RSF se opera de la siguiente manera:

RSF = minHfSa

σm 1+Rb +σms(1+Rbs), 1.0

Donde: Hf = 3.0 (Para esfuerzo secundario).

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Se supone un valor del coeficiente Hf = 3.0 debido a que se considera que el esfuerzo flector ocasionado por el desalineamiento por falta de coincidencia en la línea central es un esfuerzo secundario [5].

Sustituyendo valores para los diferentes desalineamientos:

RSF (15%) = min3∗16600

16600(1+1.45), 1.0

𝑅𝑆𝐹 (15%) = min 1.22 , 1.0 = 1.00

RSF(30%) = min3∗16600

16600(1+1.9), 1.0

𝑅𝑆𝐹(30%) = min 1.03 , 1.0 = 1.00

𝑅𝑆𝐹(50%) = min3∗16600

16600(1+2.5), 1.0

𝑅𝑆𝐹(50%) = min 0.857 , 1.0 = 0.86

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f) PASO 6

Evaluar los resultados

En una valoración de aptitud para el servicio, el valor calculado del factor de esfuerzo remanente (RSF) es comparado con un valor permisible. Si el valor calculado de RSF es mayor que el permisible, el componente puede ser devuelto al servicio. Si el valor de RSF es menor que el permisible, el componente podrá ser reparado, recalificado o deberá ser puesta en práctica alguna forma de corrección para reducir la severidad del ambiente de operación. La recalificación del componente se obtiene reduciendo la presión de trabajo máxima permisible (MAWP) de la siguiente manera:

𝑀𝐴𝑊𝑃 = 𝑀𝐴𝑊𝑃𝑜

𝑅𝑆𝐹

𝑅𝑆𝐹𝑎 𝑃𝐴𝑅𝐴 𝑅𝑆𝐹 < 𝑅𝑆𝐹𝑎

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Tabla - Factor de resistencia remanente permisible recomendado

basado en el código de diseño.

Codigo de Diseño Factor de Esfuerzo Remanente Permisible

Recomendado RSFa

ASME Section 1 0.9

ASME Section VIII, Division 1

(pre 1999) 0.9

ASME Section VIII, Division 1

(post 1999) 0.9

ASME Section VIII, Division 2 0.9

AS 1210 0.9

BS PD 5500 0.9

CODAP 0.9

ASME B31.1 0.9

ASME B31.3 0.9

API 620 0.9

API 650 0.9

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Para un desalineamiento de 15%: 𝑅𝑆𝐹 (15%) = 1.00 ≥ 0.9

Por lo tanto es satisfactorio según el criterio de evaluación del Nivel 2

Para un desalineamiento de 30%: 𝑅𝑆𝐹(30%) = 1.00 ≥ 0.9

Por lo tanto es satisfactorio según el criterio de evaluación del Nivel 2

Para un desalineamiento de 50%: 𝑅𝑆𝐹(50%) = 0.86 ≤ 0.9

Por lo tanto es insatisfactorio según el criterio de evaluación del Nivel 2

Realizando la recalificación de la presión de trabajo admisible se obtiene

𝑀𝐴𝑊𝑃𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 𝑀𝐴𝑊𝑃𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙0.86

0.9= 𝑀𝐴𝑊𝑃𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙0.95

Lo cual es una reducción del 4.5% en la presión de trabajo.

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En la evaluación según los criterios de aceptación del Nivel 2, los desalineamientos de 15% y 30% resultaron admisibles, el desalineamiento de 50% del espesor de 0.25 pulgadas resulto inadmisible.

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Definición del campo de solución Discretización Desarrollo de las ecuaciones de los elementos finitos Aplicación de las cargas y condiciones de borde Solución para las variables de respuesta primarias Postprocesamiento

• Primario General de Membrana, (Primary General Membrane )

Pm < Sa

• Primario Local de Membrana + Flector (Primary Local Membrane + Bending) Pl + Pb < 1.5 Sa

• Primario + Secundario (Primary + Secundary)

• Pl + Pb + Q < 3.0 Sa

• Donde el valor de Sa es la intensidad de esfuerzo permitida a la temperatura de diseño

Verificación

EVALUACIÓN SEGÚN EL METODO DE ELEMENTOS FINITOS

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Un esquema de las condiciones de borde utilizadas en el análisis por elementos finitos se muestra en

la figura , donde se ha considerado un apoyo fijo en un extremo y un apoyo móvil en el otro.

Figura – Condiciones de Borde utilizadas en el valoración por elementos finitos del problema de desalineamiento

CARGAS Y CONDICIONES DE BORDE

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

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Desalineamiento Esfuerzo

Teorico

Esfuerzo

FEA Diferencia

50% 2.5 2.8 12%

30% 1.9 2.1 11%

15% 1.45 1.7 17%

Observando los resultados se verifica el modelo de elementos finitos utilizado. La variación entre el esfuerzo teórico y el calculado numéricamente con el método de elementos finitos es debido a la precisión del método de FEA con respecto a la simplicidad del cálculo del esfuerzo teórico

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Desalineamiento Esfuerzo obtenido por

FEA (psi)

0% 16600

15% 30745

30% 40437

50% 54930

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

Resultados Obtenidos por FEA

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EXPERIMENTALMENTE Para verificar los resultados del modelo estructural utilizado en la simulación por elementos finitos, se procedió a ensayar en el laboratorio probetas con desalineamientos

Al ser sometida la junta soldada, que actúa como un cuerpo rígido, a tensión, esta tiende a rotar debido al momento producido por la falta de coincidencia del eje neutro en los extremos de la junta soldada. Esta rotación ocasiona que se dismuya el desalineamiento, llevando el eje neutro de la junta soldada cerca a la línea de acción de la fuerza de tensión aplicada. Ver el diagrama de cuerpo libre de la figura

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Para lograr este efecto se han maquinado las probetas de tal manera que al aplicar el desplazamiento con la máquina de

tracción, la máquina no produzca momentos adicionales y la línea de acción de la fuerza (provocada por el

desplazamiento aplicado) básicamente pase por el eje neutro de la junta soldada desalineada. Un diagrama de cuerpo

libre del sistema probeta/mordazas es mostrado en la figura a continuación. Se aprecia que la razón de rebajar el espesor

en los extremos adyacentes a las mordazas es mantener la línea de acción de la fuerza en el eje de la junta soldada.

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La sección de las mordazas está diseñada de tal forma que no presente fluencia en las mordazas bajo un estado de tensión plana mientras ocurre la falla en la sección reducida

Se requiere que la sección de los hombros no ceda bajo el esfuerzo uniaxial de la prueba mientras el cuello falla en el estado de tensión plana, así que los hombros serán más resistentes que el cuello

e (%) AM

(pulg)

AC

(pulg)

AH

(pulg)

0 1.5 0.93 1.73

15 1.5 1.07 1.99

30 1.5 1.21 2.25

50 1.5 1.40 2.60

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



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Resultados Experimentales

#

Probeta Probetas

Area

(pulg2.

)

Fuerza

Máxima

(lbf.)

Esfuerzo

Máximo

(Ksi)

Deformación

en 2" (%)

1 0% - A 0.33 20114 60.58 39

2 0% - B 0.33 20258 60.86 38

3 15% - A 0.27 16209 59.44 23

4 15% - B 0.27 16117 58.96 24

5 30% - A 0.31 17710 57.43 16

6 30% - B 0.31 17697 57.86 18

7 50% - A 0.33 18025 54.31 18

8 50% - B 0.33 18502 55.89 14

Se fabricaron y probaron (hasta la rotura a través de un ensayo de tracción) un total de 8 especímenes de plancha de acero ASTM A-36, 2 para cada tipo de desalineamiento (0%, 15%, 30%, 50%).

Los resultados se tabulan a continuación:

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53.00

54.00

55.00

56.00

57.00

58.00

59.00

60.00

61.00

62.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Esfu

erz

o M

áxim

o (

ksi)

Probetas (#)

Esfuerzo Máximo

0% desalineamiento

15% desalineamiento

30% desalineamiento

50% desalineamiento

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8 10

De

form

ació

n (

%)

Probetas (#)

Deformación

0% desalineamiento

15% desalineamiento

30% desalineamiento

50% desalineamiento

Se comparan los esfuerzos

máximos y porcentajes de

deformación obtenidos en los

ensayos para los respectivos

desalineamientos ensayados.

Las probetas con el mismo

desalineamiento mostraron

resultados relativamente

uniformes entre sí.

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

Se observo un adelgazamiento local en todas las probetas en la zona de la junta desalineada

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

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Teórico API 579 -1 / ASME FFS-1 FEA

0% 16600 16600 16600

15% 24070 40670 30745

30% 31540 48140 40437

50% 41500 58100 54930

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

0% 15% 30% 50%

Esf

uer

zo

(p

si)

Comparación de Esfuerzos

Teorico

API 579-1/ASME FFS-1

FEA

Se comparan los esfuerzos obtenidos teóricamente a través de las ecuaciones obtenidas por medio de la teoría de membrana, con los obtenidos a través de las ecuaciones proporcionadas para calcular los esfuerzos según el Nivel 2 de valoración propuesto por API 579-1/ ASME FFS-1 y los obtenidos a través de la simulación por elementos finitos

Se grafica la tendencia en el cálculo de estos esfuerzos

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DISCUSIÓN. Al aumentar el nivel de desalineamiento en una

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

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En la modelación por elementos finitos y en las pruebas de laboratorio, existió una rotación en la junta soldada simulada. La rotación ocasionaba una disminución en el desalineamiento y por lo tanto una disminución gradual en los esfuerzos secundarios de flexión producidos por este.

En un material frágil o fragilizado (o muy rigidizado) por algún mecanismo de degradación, la rotación para contrarrestar el desalineamiento será probablemente menor y por lo tanto los efectos de los esfuerzos secundarios de flexión no disminurian en la misma medida, lo que provocaría una concentración de esfuerzos que produciría la falla para relaciones de cargas menores.

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

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Gracias por la atención prestada.

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