informe Analisis de Falla (Tubo)

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA

DEL PERU

INFORME DE ANALISIS DE FALLA

CASO: TUBO DE SUPERCALENTADOR

SOLICITADOR POR: LABORATORIO DE MATERIALES PUCP

REALIZADO POR: GRUPO 3

Hendrick Maz 20082129

Mauricio Santivanes 20077138

Diego Chavez 20070453

Luis Mechan 20077100

Gonzalo Canchari 20087110

FECHA DE REALIZACIN: 24 DE NOVIEMBRE DEL 2014

INFORME DE ANALISIS DE FALLA TUBO DE SUPERCALENTADOR Pgina 1

Tabla de contenido

I. IDENTIFICACIN: ................................................................................................................... 2

II. SITUACIN DE FALLA: ........................................................................................................... 2

III. ANTECEDENTES: ................................................................................................................ 2

IV. MATERIAL: ........................................................................................................................ 2

V. INSPECCION VISUAL: ............................................................................................................ 3

VI. ANALISIS FRACTOGRAFICO: .............................................................................................. 5

VII. PRUEBAS DE LABORATORIO ............................................................................................. 7

7.1. ANALISIS QUMICO: ...................................................................................................... 7

7.2. ENSAYO DE DUREZA: .................................................................................................... 8

7.3. ANALISIS METALOGRFICO: ......................................................................................... 8

VIII. HIPOTESIS .......................................................................................................................... 9

8.1. FALLA POR CREEP ......................................................................................................... 9

8.2. SOBRECALENTAMIENTO POR CORTA DURACION ....................................................... 9

IX. CONCLUSIONES ............................................................................................................... 10

9.1. TIPO DE FALLA ............................................................................................................. 10

9.2. CAUSAS ....................................................................................................................... 10

X. RECOMENDACIONES .......................................................................................................... 10


I. IDENTIFICACIN:

- La pieza a analizar es un tubo del hogar de un supercalentador. El dimetro de tubo es

de 5 - Sch (Schedulle) 80 de material SA335P11

II. SITUACIN DE FALLA:

- El equipo presento la falla en la tarde del domingo 20 de Julio del 2009.

- Las condiciones de operacin nominales son:

Temperatura: 485C (905F)

Presin: 6240kPa (905 PSI)

- El fluido transportado es vapor de agua a altas temperaturas.

- El tubo estuvo instalado en el lado oeste del supercalentador, sobre la radiacin.

III. ANTECEDENTES:

- El equipo vena trabajando desde el 2007 sin fallar anteriormente.

- El equipo anteriormente no ha sido intervenido en ningunos de los tubos

IV. MATERIAL:

- Tubos de aleacion de acero diseados para condiciones de alta presion y temperatura.

- Grado de acero: ASME SA335P11 / ASTM A335

- Composicion qumica:

TABLA 1 COMPOSICION DE ACERO ASME SA335P11 / ASTM A335

COMPOSICIN VALOR

Designacin UNS K11597

Carbn (C) 0.05 0.15

Manganeso (Mn) 0.30 0.60

Fosforo (P) max. 0.025

Azufre (S) max. 0.025

Silicio (Si) 0.50 1.00

Nickel (Ni) --

Cromo (Cr) 1.00 1.50

Molibdeno (Mo) 0.44 0.65


TABLA 2 PROPIEDADES MECANICAS DE ACERO ASME SA335P11 / ASTM A335

PROPIEDADES VALOR

Esfuerzo a la Traccin (MPa) 415

Esfuerzo a la Fluencia (MPa) min. 205

Elongacin (%) min. L/T 30/20

o Notas para la prueba de dureza:

SA335P11 no deber tener una dureza no superior a 250 HV

HB/265 [25HRC].

o Notas para la Prueba de flexin:

Para tubos cuyo dimetro supera NPS 25 y cuyo dimetro a

espesor de pared es 7,0 o menos debern someterse a la

prueba de flexin en lugar de la prueba de aplastamiento.

Otros tubos cuyo dimetro sea igual o superior NPS 10 puede

tener la prueba de flexin en lugar de la prueba de

aplastamiento sujeto a la aprobacin del comprador.

Los especmenes de prueba de plegado ser doblados a

temperatura ambiente a travs de 180 y sin formacin de

grietas en el exterior de la parte doblada.

V. INSPECCION VISUAL:

De la observacin del supercalentador concluimos que:

o El sentido de rotura del tubo es longitudinal con apreciable deformacin

plstica y reduccin de espesor.


}

Fig 5.1. Seccin de tubera con falla.

o Los dimetros en el tubo en zonas alejadas de la falla y cerca de la falla fueron

los siguientes:

TABLA 3 ESPESORES DE PARED

ZONA ALEJADA A LA FALLA ZONA DE FALLA

9.96 4.08

9.21 4.48

9.35 4.10

8.71 4.05

9.30 4.35

-- 3.94

-- 4.13

-- 4.22

-- 3.96

-- 4.28

Promedio: 9.31 mm. Promedio: 4.21 mm.

El espesor promedio del tubo fallado en la zona de rotura es de 3.9 mm mientras que

en la zona alejada es de 9.3 mm.

La morfologa de la rotura es: de boca de pez con hinchazn local y reduccin

importante del espesor del tubo son caractersticas tpicas de una falla por creep por

sobrecalentamiento en un tiempo muy corto. Esta hiptesis debe ser comprobada

mediante pruebas de laboratorio.


VI. ANALISIS FRACTOGRAFICO:

- Se realiza el anlisis fractogrfico de la seccin de tubera fallada. (Fig. 6.1.)

Fig. 6.1 Tubo de supercalentador

- Dado que la superficie de falla se encuentra deformada, se observarn los espesores

de pared para determinar cunto la deformacin de los labios de fractura.


Fig. 6.2 Espesor del tubo

Espesor nominal de pared: 9.53mm


Fig. 6.3 Tubo de supercalentador

Espesor promedio en la zona de falla: 4.21 mm

VII. PRUEBAS DE LABORATORIO

7.1. ANALISIS QUMICO:

Para conocer la composicin qumica del comente a analizar se extrajo una muestra. El

anlisis se realiz por mediante espectrometra de emisin.

Se realizaron tres ensayos por muestras y se presenta el valor promedio en la siguiente

tabla.

TABLA 4 COMPOSICIN QUMICA SEGN LABORATORIO

MUESTRA C Mn Si P S Ni Cr Mo Cu

Tubo S.C. 0.12 0.445 0.66 0.008 0.004 0.01 1.12 0.46 0.02

SA335 P11

0.05 -

0.15

0.30 -

0.60

0.50 -

1.00

0.025 max.

0.025 max.

-- 1.00 -

1.50

0.44 -

0.65

--


Con el anlisis qumico de la muestra se llega a la conclusin que el acero el cual ha

sido fabricado el tubo analizado est dentro de los rangos permisibles de composicin

de un acero de bajo aleacin Cr-Mo resistente al calor del tipo ASTM A335 P11

7.2. ENSAYO DE DUREZA:

Se realizaron mediciones de dureza ROCKWELL HRBW en secciones transversales

correspondiente en 02 (dos) zonas distintas: La Zona 1, donde est alejada la falla, y la

Zona 3, aquella donde se aprecia la mayor reduccin de espesor). Los resultados se

presentan a continuacin:

TABLA 5 DUREZA DEL COMPONENTE

ZONA 1 ZONA 2

84.5 83.0

83.6 82.4

84.3 81.5

84.1 80.6

Promedio: 84 HRBW Promedio: 82 HRBW

Los ensayos de dureza para ambas zonas son muy similares.

Segn la norma para aceros ASTM A335 P11 el valor de dureza no debe sobrepasar los

25 HRC (equivalente a 101 HRBW), por la medida est dentro del rango de acero ya

mencionado.

7.3. ANALISIS METALOGRFICO:

El anlisis metalogrfico desarrollado en los laboratorios de LA FACULTAD DE

INGENIERA MECNICA DE LA UNIVERSIDAD CATLICA; en el ANEXO 1 se puede

apreciar el informe completo.

Los resultados entregados por este anlisis;

La microestructura del acero fue uniforme (Fig. 2), consista en una matriz ferrtica

(zonas claras) y granos dispersos de perlita (zonas oscuras).


Fig. 7.3.1 Microestructura del material

No se encontr globalizacin de la cementita ni microcavidades, las cuales se halan

en fallas por creep.

No existe evidencia que la temperatura haya excedido los 700 C, pues las zonas

alejadas y cercanas a la falla no presentan diferencias microestructurales.

En la zona de falla se encuentran granos con gran deformacin, prueba que la falla

ocurri en un corto tiempo de exposicin a temperaturas elevadas. No presenta

recristalizacin.

El mecanismo de falla no es del tipo creep con modificaciones microestructurales;

sin embargo, se tiene la certeza que estuvo expuesto a un sobrecalentamiento

localizado por un corto tiempo.

VIII. HIPOTESIS

8.1. FALLA POR CREEP

Mecanismos de deterioro en el tiempo que provoca deformacin contina de un material

cuando est expuesto a dos factores:

Altas temperaturas.

Material con cargas (esfuerzos).

8.2. SOBRECALENTAMIENTO POR CORTA DURACION

Descripcin General

Cuando la temperatura del tubo se eleva por encima de los lmites de diseo durante

un breve perodo


En todos los casos la temperatura del tubo se eleva por sobre los 730 C

Dependiendo de la temperatura la falla puede ocurrir en un tiempo muy corto

La falla suele ser por un error en la operacin de la caldera

Las condiciones que conducen a un sobrecalentamiento de corta duracin son el

taponamiento parcial o total del tubo y flujo insuficiente del refrigerante, o una

entrada excesiva de calor

Cambio en el patrn de combustin

Identificacin

Con frecuencia el sobrecalentamiento de corta duracin se puede identificar mediante

el examen metalogrfico

Requiere que el tubo muestra se seccione para su examen microscpico

Las otras tcnicas de estudio son menos eficaces

IX. CONCLUSIONES

9.1. TIPO DE FALLA

La falla es sobrecalentamiento por corta duracin. Tal como se observa en las

conclusiones del informe metalogrfico (ANEXO 1); la falla ocurre por

sobrecalentamiento durante un tiempo menor al necesario para realizar los cambios

microestructurales caractersticos de una falla por creep.

9.2. CAUSAS

Las fallas causadas por sobrecalentamiento de corta duracin se confinan a los tubos

enfriados por agua o por vapor

Debido a las altas temperaturas de operacin, los sobrecalentadores y recalentadores

son sitios comunes de fallas

Se pueden presentar cuando el flujo de vapor es limitado, sobre todo cuando se realiza

el arranque del caldero

X. RECOMENDACIONES

Controlar las condiciones de operacin en el arranque para no sobrepasar el lmite

mximo de temperatura del material.

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