Plasticidad en un Tubo - GrupoSSC · The Virtual Engieneering Company IIConferencia Internacional de Usuarios de ANSYS Cae Plm Cad 2002 ... frontera de un pequeño barreno que se

The Virtual Engieneering Company

II Conferencia Internacional de Usuarios de ANSYS

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20022002ConferenciaConferencia

www.grupossc.comIngeniería, Desarrollo y Manejo de Información

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Instituto deInvestigacionesEléctricas

ANANÁÁLISIS DE ESFUERZOS ELLISIS DE ESFUERZOS ELÁÁSTICOSTICO--PLPLÁÁSTICOS DE UN DUCTO PARA STICOS DE UN DUCTO PARA LA CORRECCILA CORRECCIÓÓN DE LA MEDICIN DE LA MEDICIÓÓN DE ESFUERZOS RESIDUALES EN EL N DE ESFUERZOS RESIDUALES EN EL

RANGO PLRANGO PLÁÁSTICOSTICO

30, 31 de Octubre y 1 de Noviembre



Cae

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Cad



Cae

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Oscar Dorantes1, Antonio Carnero1, Alberto López2, Ernesto Neri2, Nairoby García2

Instituto de Investigaciones Eléctricas1Gerencia de Turbomaquinaria

2Gerencia de Ingeniería Civil

II Conferencia Internacional de Usuarios de ANSYSSan Miguel de Allende, Gto. 30, 31 de Octubre y 1 de Noviembre del 2002

ANÁLISIS DE ESFUERZOS ELÁSTICO-PLÁSTICOS DE UN DUCTO PARA LA CORRECCIÓN DE LA

MEDICIÓN DE ESFUERZOS RESIDUALES EN EL RANGO PLÁSTICO




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Cad



Cae

Cad

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Como parte del estudio para establecer el estado actual de esfuerzos en un sistema de tuberías, se han realizado mediciones de los esfuerzos actuantes en la tubería mediante el método del barreno, el cuál está definido en la norma ASTM E837.

Este método consiste básicamente en medir las deformaciones asociadas a la relajación de esfuerzos que se da a lo largo de la frontera de un pequeño barreno que se hace en el material, y posteriormente, mediante la aplicación de las leyes constitutivas del material, se pueden traducir en esfuerzos.

ANTECEDENTES



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





El método del barreno empleado para la medición de deformaciones y esfuerzos, tal como está desarrollado hasta la fecha, es aplicable solamente en el intervalo elástico del material. Por lo tanto, no es posible determinar con precisión el valor de las deformaciones medidas en el intervalo plástico, ni la capacidad de deformación restante en el material.

Por tal motivo, se han realizado estudios mediante modelos de elementos finitos con ANSYS con la finalidad de poder corregir las mediciones realizadas cuando el material ya ha rebasado el límite elástico.

ANTECEDENTES



Cae

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Cad



Cae

Cad

Plm





Modelo de elementos finitos de una sección del ducto

BARRENO

DIRECCIÓN DELA CARGA



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Detalle del barreno en la superficie exterior del tubo



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Detalle del barreno en la superficie exterior del tubo (Detalle de las rosetas)

0º

90º

45º



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Límiteproporcional

Punto decedencia

Deformación plástica DEFORMACIÓN

ESFU

ERZO

Curva Típica de Esfuerzo-Deformación



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Gráfica esfuerzo deformación del acerosegún norma ASTM A53 “B”

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

DEFORMACIÓN (ε)

ESFU

ERZO

(M

Pa)

0.0012, 240

0.24, 415

Opción de comportamiento plástico: Multilinear Isotropic Hardening (MISO).

E = 200 GPa σy = 240 MPa



Cae

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Cad



Cae

Cad

Plm





Casos analizados

Se corrieron los siguientes casos, en un modelo con barreno y en otro sin barreno

RESULTADO ESPERADO

L [m] δ [m] με

1 0.2030 0.0001 4932 0.2030 0.0002 9853 0.2030 0.0003 1,4784 0.2030 0.0005 2,4635 0.2030 0.0010 4,9266 0.2030 0.0030 14,7787 0.2030 0.0100 49,2618 0.2030 0.0300 147,7839 0.2030 0.0500 246,305

Anális is P lás tico de un s egmento de tubo

PARAMETROS BASEANÁLISIS



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Esfuerzos Z (SZ) en una sección del ducto en modelo sin barreno y con desplazamientos aplicados de 0.0001 m

ZonaElástica



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Esfuerzos Z (SZ) en una sección del ducto en modelo sin barreno y con desplazamientos aplicados de 0.0001 m (Detalle de las rosetas)

ZonaElástica



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Esfuerzos Z (SZ) en una sección del ducto en modelo con barreno y con desplazamientos aplicados de 0.0001 m

ZonaElástica



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Esfuerzos Z (SZ) en una sección del ducto en modelo con barreno y con desplazamientos aplicados de 0.0001 m (Detalle del barreno)

ZonaElástica



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Esfuerzos Z (SZ) en una sección del ducto en modelo sin barreno y con desplazamientos aplicados de 0.001 m

ZonaPlástica



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Deformaciones en una sección del ducto en modelo sin barreno y con desplazamientos aplicados de 0.001 m

ZonaPlástica



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





ZonaPlástica

Esfuerzos Z (SZ) en una sección del ducto en modelo con barreno y con desplazamientos aplicados de 0.001 m



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Deformaciones en una sección del ducto en modelo con barreno y con desplazamientos aplicados de 0.001 m

ZonaPlástica



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Deformaciones en una sección del ducto en modelo con barreno y con desplazamientos aplicados de 0.01 m



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





μ ε μ ε p-z

sz (max) en zona

del barreno

[MPa]

μ ε p-z

sz (max) en el

barreno [MPa]

1 0.0001 493 610 100 1,000 214

2 0.0002 985 1,221 200 1,281 295

3 0.0003 1,478 2,020 230 5,999 354

4 0.0005 2,463 3,225 240 12,989 391

5 0.001 4,926 8,201 249 27,339 465

6 0.003 14,778 22,949 260 70,816 650

7 0.01 49,261 64,427 280 171,852 950

8 0.03 147,783 183,692 430 389,256 1,430

9 0.05 246,305 316,816 580 584,022 1,840

DES

PLAZ

AM

IEN

TO

APL

ICAD

O

Análisis Plástico de un segmento de tubo

SIN BARRENO CON BARRENORESULTADO ESPERADO

ANÁLISIS

RESULTADOS NUMERICOS (ANSYS)

RESULTADOS



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





0

100

200

300

400

500

600

700

0 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 300,000 350,000

DEFORMACIONES UNITARIAS

ESFU

ERZO

[MPa

]

Curva de Esfuerzo-Deformación para el modelo sin barreno



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





0

50

100

150

200

250

300

0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500


ESFU

ERZO

[MPa

]

Curva de Esfuerzo-Deformación para el modelo sin barreno (Detalle de la zona elástica)



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 100,000 200,000 300,000 400,000 500,000 600,000 700,000


ESFU

ERZO

[M

Pa]

Modelo con barrenoModelo sin Barreno

Comparación de la Curva de Esfuerzo-Deformación para ambos modelos



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000


ESFU

ERZO

[M

Pa]

Modelo con barrenoModelo sin Barreno

Comparación de la Curva de Esfuerzo-Deformación para ambos modelos (Detalle de la zona elástica)



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





-0.0001

0.0001

0.0003

0.0005

0.0007

0.0009

0.0011

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CASO DE CARGA

DES

PLA

ZAM

IEN

TOS

[m]

Gráfica de la variación de carga en el caso de un análisisno-lineal transitorio del segmento de ducto



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





Curva de Esfuerzo-Deformación después de realizar el análisis no-lineal transitorio, aplicando la variación de carga dos ciclos

Deformaciónplástica

1er. ciclo Deformaciónplástica2o. ciclo



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





v 0.3 (elástico) 0.5(plástico)

1,500 2,500 5,000 15,000 50,000 150,000 250,000

50 100 150 200 240 240.2 241.0 242.7 250.1 275.8 349.0 422.3

245 490 734 979 1,175 1,771 3,572 5,904 21,378 62,204 169,668 278,30884 168 252 337 404 528 904 1,564 5,029 15,623 84,788 68,036

-76 -153 -229 -305 -366 -717 -1,770 -2,856 -11,333 -30,965 -86,565 -142,154

194 389 583 777 933 1,020 1,708 3,590 116,800 35,419 116,800 204,13386 172 258 344 413 793 1,545 3,335 63,697 24,385 63,697 100,416

-62 -124 -186 -247 -297 -561 -1,388 -3,235 -76,477 -26,810 -76,477 -127,801

-50 -101 -151 -202 -242 -751 -1,864 -2,314 95,423 -26,784 -52,867 -74,1752 4 6 8 9 266 641 1,771 58,668 8,762 -21,092 32,380

14 29 43 58 69 156 382 -379 -65,144 4,155 10,089 14,353Smin MPa -2 -3 -5 -7 -8 -89 -209 -399 -79,829 -1,976 7,086 -11,425Smax MPa 48 97 145 194 233 863 2,137 3,900 40,453 31,405 48,547 89,223

3% 3% 3% 3% 3% 3.6 8.9 16.3 168.6 130.9 202.3 371.8

e2'' - e2'e3'' - e3'

e1''e2''e3''

e1'' - e1'

M icrodeformación aplicada al modeloFY

e1'e2'

Rango de error

Esfuerzo aplicado (MPa)

Cálculo de esfuerzo uniforme equivalente de acuerdo con la norma ASTM E837-99

Deformaciones calculadas del modelo de elementos finitos (Microdeformaciones)SIN BARRENO

CON BARRENOe3'

Numero de veces mayor que Fy

Simulación del método del barreno mediante modelos de elemento finito

Lecturassimilares a las

tomadas en campo



Cae

Plm

Cad



Cae

Cad

Plm





• Se pudo confirmar que el método del barreno es válido para todo el rango elástico.

• Ahora es posible extrapolar o corregir las mediciones realizadasen el rango plástico.

• Se llegó a la conclusión que las mediciones realizadas en campo son correctas e indican que en algunas zonas del sistema de tuberías se han alcanzado deformaciones plásticas.

• Al presentar deformaciones plásticas, las tuberías estarían trabajando fuera de las normas de diseño y carecen de los factores de seguridad básicos.

CONCLUSIONES



Cae

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Cae

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Plm





1. Oscar Dorantes Gó[email protected]

2. Antonio Carnero Parra [email protected]

Instituto de Investigaciones EléctricasGerencia de Turbomaquinaria

Tel. (777) 318.3811Fax. (777) 318.2598

1. Alberto López Ló[email protected]

2. Ernesto Neri Barrio [email protected]

• Nairoby García [email protected]

Instituto de Investigaciones EléctricasGerencia de Ingeniería Civil

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