Fallo por fatiga es el mecanismo principal de fallo estructural en componentes metálicos sometidos a esfuerzos cíclicos. Este daño progresivo y localizado es una de las principales preocupaciones para los sistemas que utilizan tubos de acero inoxidable y accesorios de tubería de acero inoxidable.Se produce incluso cuando la tensión aplicada es muy inferior a la resistencia máxima a la tracción del material.
¿Qué es la falla por fatiga?
La fatiga es un proceso de acumulación de daños. Es el resultado de ciclos repetidos de carga y descarga. A diferencia de la falla estática repentina, la fatiga se desarrolla lentamente con el tiempo. El número de ciclos necesarios para provocar la falla es inversamente proporcional a la amplitud de la tensión aplicada. El material falla repentinamente una vez que se alcanza un tamaño crítico de grieta.
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Las tres etapas del fallo por fatiga
La rotura por fatiga es un proceso secuencial de tres etapas. Cada etapa contribuye al colapso estructural final.
- Inicio de grietas:
El daño microscópico comienza en los puntos de concentración de tensión. Los arañazos superficiales, las esquinas afiladas o los defectos internos del material suelen iniciar esta etapa. La deformación plástica repetida en estos puntos forma una pequeña grieta visible. - Propagación de grietas:
La grieta crece lentamente con cada ciclo de tensión. La superficie de la fractura suele presentar marcas características en forma de rayas o estrías. Estas marcas indican la dirección y la velocidad de crecimiento de la grieta a lo largo del tiempo. - Fractura final:
Una vez que el material restante ya no puede soportar la carga máxima, se produce una fractura rápida. Este fallo final ocurre de forma repentina y a menudo parece frágil. La velocidad de esta etapa final le da a la fatiga su peligrosa reputación.
Factores que influyen en la vida útil de la fatiga del acero inoxidable
Existen varios factores clave que determinan la rapidez con la que se produce el fallo por fatiga en los componentes de acero inoxidable.
Este es el factor más significativo. Una mayor variación de tensión por ciclo reduce drásticamente la vida útil. Es fundamental minimizar las fluctuaciones de presión operativa.
Una superficie lisa y pulida mejora la resistencia a la fatiga. Los arañazos, las picaduras o las marcas de mecanizado ásperas actúan como puntos de iniciación de grietas, por lo que el acabado de la superficie es fundamental para los accesorios de tubería de acero inoxidable.
Las temperaturas elevadas pueden acelerar el daño por fatiga. Esto se denomina a menudo interacción entre la fluencia y la fatiga. El control de la temperatura de funcionamiento prolonga la vida útil del componente.
La presencia de medios corrosivos agrava gravemente los daños. La corrosión crea elevadores de tensión (picaduras),acelerando la iniciación de grietas.Este efecto combinado se conoce como fatiga por corrosión.
Tipos de fallo por fatiga
- Fatiga de alto ciclo (HCF):
La situación se produce con niveles bajos de tensión. El material puede soportar un número extremadamente elevado de ciclos (normalmente superior a 10⁴ ciclos). Esto se aplica a las vibraciones menores persistentes en los sistemas de tuberías de acero inoxidable. - Fatiga de ciclo bajo (LCF):
Estas condiciones se producen bajo niveles de tensión extremadamente altos. Los materiales tienden a fallar con relativa rapidez (en menos de 10⁴ ciclos). Esto suele deberse a ciclos térmicos severos o a variaciones extremas de carga.
Prevención de fallos por fatiga en tuberías
- Selección de materiales:
Aceros inoxidables dúplex (por ejemplo, 2205) presentan una mayor resistencia a la fatiga que los grados austeníticos estándar (p. ej., 304).La selección de una aleación más resistente aumenta la vida a fatiga. - Optimización del diseño:
Los diseñadores deben eliminar las esquinas afiladas y los cambios bruscos en la sección transversal. Estas características geométricas son conocidas por concentrar tensiones. Los radios de filete adecuados mejoran la longevidad de los componentes. - Tratamiento superficial:
Los tratamientos superficiales como el granallado crean tensiones residuales compresivas. Estas tensiones contrarrestan las tensiones de tracción que provocan la aparición de grietas. Esto aumenta considerablemente la resistencia a la rotura por fatiga. - Calidad de la soldadura:
Los procedimientos de soldadura adecuados reducen al mínimo la porosidad y las inclusiones, y el esmerilado y alisado posteriores del cordón de soldadura mejoran aún más el comportamiento a la fatiga.
Parámetros de vida útil por fatiga
| Parámetro | Definición | Medición típica |
|---|---|---|
| Límite de resistencia | Nivel de tensión por debajo del cual no se producirá un fallo. | MPa o psi |
| Relación de tensión (R) | Relación entre la tensión mínima y la tensión máxima | Sin dimensiones |
| Vida útil (Nf) | Número de ciclos hasta el fallo catastrófico | Ciclos |
| Concentración de tensiones (Kt) | Medida del aumento de tensión cerca de una característica geométrica | Sin dimensiones |
Fuentes de concentración de tensiones en accesorios para tuberías
| Área de componentes | Causa de la concentración de tensiones | Riesgo de fatiga |
|---|---|---|
| Punta de soldadura | Cambio brusco de geometría | Inicio de grietas |
| Orificio de brida | Tensión alrededor del perno | Agrietamiento por agujeros |
| Codo de tubería (codo) | Adelgazamiento geométrico | Fallo de la pared |
| Raíz del hilo | Muesca afilada | Corte de hilos |
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