Crecimiento de grietas por fatiga subcrítica en Manifoldes de flujo de alta presión
Manifoldes de línea de flujo a alta presión
durante mucho tiempo están sometidos a cargas alternas entre 40 MPa y 100 MPa. Un componente sin grieta o con una grieta inicial no fallará cuando el factor de intensidad de esfuerzo K producido por la combinación de carga externa estática y grieta sea menor que la tenacidad a la fractura Kc del objeto. Sin embargo, bajo cargas alternas repetidas, la grieta crece lentamente. Cuando la grieta crece desde la longitud inicial a0 hasta el tamaño crítico ac, se produce una falla inestable. Esto se llama fallo por fatiga. El proceso de crecimiento de grietas desde a0 hasta ac bajo tensión alterna se denomina crecimiento de grietas por fatiga subcrítica.
La investigación sobre el comportamiento de crecimiento de grietas bajo cargas alternas tiene una importancia muy importante para estructuras de ingeniería prácticas. Cuando existe daño inicial en una estructura de ingeniería, como defectos internos, microgrietas o inclusiones, la fractura puede no producirse bajo carga operativa al inicio del servicio. Sin embargo, la mayoría de las estructuras de ingeniería están sometidas a cargas alternas cíclicas o incluso cargas de impacto durante el servicio, y bajo tales cargas el daño inicial en la estructura crece lentamente. Una vez que la combinación de la carga externa y la longitud de la grieta hace que el factor de intensidad de esfuerzo alcance el valor crítico, la estructura falla. El número de ciclos de carga experimentados desde la grieta inicial hasta la longitud crítica de la grieta se denomina vida útil de crecimiento de la grieta por fatiga de la estructura. Antes de que aparecieran las mecánicas de fractura, el diseño tradicional de fatiga se basaba en muestras pequeñas y lisas. Aunque este método de diseño tradicional hizo importantes contribuciones para prevenir la falla por fatiga de los componentes, no consideraba posibles defectos en los componentes reales ni reflejaba las leyes de crecimiento de grietas. Por lo tanto, sus resultados a veces son inseguros y otras veces excesivamente conservadores. Aplicar los principios de la mecánica de la fractura para estudiar las leyes de crecimiento de grietas por fatiga y establecer métodos de cálculo de diseño de fatiga sobre esa base es un complemento y desarrollo importantes del análisis tradicional de fatiga. Para predecir con mayor precisión la vida útil del crecimiento de grietas por fatiga, este artículo estudia las leyes de crecimiento de grietas bajo diversos tipos de cargas alternas.
Inicio y crecimiento de grietas bajo carga alterna
El proceso de fractura por fatiga de materiales metálicos es muy complejo. Para la mayoría de los problemas prácticos de ingeniería, incluidos los Manifoldes de flujo de alta presión y componentes similares, las cargas y tensiones suelen variar alternativamente con el tiempo. Bajo esta carga alterna, los componentes pueden sufrir fallos por fatiga. Generalmente, las grietas por fatiga comienzan en la superficie del componente y luego crecen gradualmente hasta que la tensión alcanza un valor crítico, tras lo cual se desarrolla un crecimiento inestable y se produce una fractura repentina.
Ley de crecimiento de grietas bajo carga alterna de amplitud constante
Primero, se estudia el crecimiento de grietas bajo carga alterna de amplitud constante. Aunque esta forma de fatiga rara vez se observa en estructuras reales, es fácil de probar en máquinas ordinarias de prueba de fatiga. Además, las leyes de crecimiento de grietas por fatiga obtenidas de esta condición pueden servir de base para estudiar el crecimiento de grietas bajo otros tipos de carga por fatiga. Por lo tanto, la mayoría de los datos de crecimiento de grietas por fatiga para materiales se obtienen bajo carga por fatiga.
Factores que afectan la tasa de crecimiento de grietas e interacción entre cargas
La discusión anterior muestra que el rango de factor de intensidad de esfuerzo en la punta de la grieta es el parámetro principal que determina la tasa de crecimiento de la grieta. Sin embargo, muchos otros factores también afectan la tasa de crecimiento de grietas por fatiga. Aunque su influencia es secundaria en comparación con el rango de factores de intensidad de esfuerzo, son importantes para comprender las leyes de crecimiento de grietas y mejorar la resistencia del material a la fractura por fatiga. A continuación se introducen varios factores que afectan a la tasa de crecimiento de las grietas.
Efecto de los picos de sobrecarga
Cuando aparece un pico de sobrecarga en tensiones alternas bajo una amplitud normal de tensión, produce un efecto de retardo en el crecimiento posterior de la grieta bajo ciclos de menor tensión-amplitud. Las pruebas muestran que este retraso depende de la magnitud de la sobrecarga. Cuanto mayor es el pico de sobrecarga, mayor es el retraso. Múltiples sobrecargas causan retraso adicional. Una sobrecarga muy alta puede incluso detener completamente el crecimiento de grietas durante ciclos posteriores de baja amplitud.
Efecto de la frecuencia de carga
En términos generales, cuanto menor es la frecuencia de carga, mayor es la tasa de crecimiento de la grieta; cuanto mayor sea la frecuencia de carga, menor será la tasa de crecimiento de la grieta. En el rango de frecuencias más bajos, la influencia de frecuencia es pequeña; en el rango más alto, la influencia de la frecuencia se vuelve más significativa. También debe considerarse la interacción de carga.
El comportamiento de crecimiento de grietas bajo carga de fatiga de amplitud constante es solo un punto de partida. En las estructuras de ingeniería reales, la mayoría de las cargas cíclicas son cargas de amplitud variable. Debido a que cargas de diferentes amplitudes aparecen en el espectro de carga, existe interacción entre estas cargas de diferentes amplitudes e influyen en la tasa de crecimiento de grietas por fatiga. Muchos estudios experimentales muestran que, tras la aparición de cargas de alta amplitud en el espectro de carga, la tasa de crecimiento de la grieta posterior disminuye y necesita un cierto número de ciclos para recuperarse a su tasa de crecimiento normal. Tras la aparición de una carga negativa de alta amplitud, la tasa de crecimiento de la grieta aumenta posteriormente. Por lo tanto, al estudiar las características de crecimiento de grietas y predecir la vida útil del crecimiento de grietas, debe considerarse la influencia de la interacción con la carga.
El caso más sencillo es añadir una carga pico alta a una carga cíclica de amplitud constante. Esta alta carga máxima se llama sobrecarga. Las características de cambio en la tasa de crecimiento de grietas tras sobrecarga se han estudiado extensamente en los últimos veinte años. Las investigaciones muestran que tras cada sobrecarga, la tasa de crecimiento de la grieta disminuye significativamente.
El efecto de retardo causado por la sobrecarga tiene las siguientes conclusiones:
1) Existe tensión residual en la gran zona plástica producida por sobrecarga. El efecto combinado de la tensión residual de compresión antes de la grieta y la tensión de tracción aplicada reduce el factor de intensidad de esfuerzo efectivo, disminuyendo así la tasa de crecimiento de la grieta.
2) Existe una deformación compresiva residual en la zona plástica producida por sobrecarga. Cuando la punta de la grieta entra en la estela plástica, la deformación residual cierra la grieta. Debido a que el esfuerzo requerido para la reapertura de la grieta es mayor que el esfuerzo mínimo de la carga cíclica, la tasa de crecimiento de la grieta disminuye.
3) La sobrecarga provoca embotamiento de la punta de la grieta, reduciendo la tasa de crecimiento de la grieta.
Ley de crecimiento de grietas bajo carga alterna de amplitud variable
Por la influencia de los picos de sobrecarga en el crecimiento de grietas por fatiga, se puede inferir que bajo cargas de amplitud variable, los ciclos de fatiga de diferentes amplitudes se afectan entre sí. Teniendo en cuenta este efecto, el cálculo del crecimiento de grietas por fatiga es muy complejo. En ingeniería, la regla lineal de daño acumulado de Miner se usa ampliamente. Ignora la influencia entre ciclos de fatiga de diferentes amplitudes, calcula la cantidad de crecimiento de grietas bajo cada amplitud de forma independiente y luego obtiene el crecimiento total según la superposición lineal.
Para el crecimiento de grietas por fatiga bajo ciclos de amplitud variable, independientemente del método de análisis que se utilice, se requiere un conocimiento suficiente de la carga. Cabe señalar que el orden de ciclos de diferentes amplitudes no puede revertirse en el cálculo, y los ciclos de la misma amplitud separados por otra carga de amplitud no pueden simplemente sumarse.
Además, dado que los picos de sobrecarga retrasan el crecimiento de grietas por fatiga, los resultados calculados por la regla lineal de daño acumulado de Miner son conservadores.
Análisis de vida útil del crecimiento de grietas en Manifoldes de flujo a alta presión
Cuando una grieta no produce una fractura de evento único, pero bajo cargas alternas la amplitud de esfuerzo supera cierto valor, una pequeña grieta inicial en la estructura, o incluso una grieta generada bajo carga alterna cuando no hubo grieta inicial, crece gradualmente hasta la ruptura. Este proceso es el crecimiento de grietas, y el número de ciclos de carga alterna en este proceso corresponde a la vida útil de crecimiento de la grieta.
Conclusiones y análisis
Basándose en pruebas de propiedades del material y en el análisis y cálculo anteriores, se pueden obtener las siguientes conclusiones para la seguridad ante fracturas de componentes típicos:
1) Dado que el número de ciclos de carga alternos durante el servicio es relativamente bajo y el valor de esfuerzo no es alto, los resultados tanto de la teoría de la fatiga como de la teoría del crecimiento de grietas muestran que la vida útil segura es mayor a 20 años.
2) Aunque la mayoría de las conexiones fallen, la fuga ocurre primero y proporciona advertencia, lo cual es favorable para la seguridad.
3) Se recomienda realizar una inspección NDT en el Manifold cada 2 a 3 años. Cuando se encuentren grietas, compáralas con los valores dados en la tabla. Si la grieta está en un estado seguro, el componente puede seguir utilizándose, pero debe observarse el cambio en el crecimiento de la grieta para que los problemas puedan diagnosticarse a tiempo y el Manifold funcione de forma segura y fiable.
