Este documento presenta un estudio sobre la fatiga térmica según la norma API 571 RP (2003). Explica los conceptos de fatiga a baja y alta temperatura, define la fatiga térmica como daño causado por fluctuaciones térmicas, y describe factores críticos, unidades afectadas, aspectos del daño, prevención, inspección y mecanismos relacionados.

1. Estudio de la fatiga térmica según la norma API 571 RP (2003).
PRESENTADO POR:
CARLOS ANDRÉS GALÁN
PRESENTADO A:
IVAN URIBE PEREZ
Ing. Metalúrgico UIS
GRUPO: A1
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUÍMICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES
BUCARAMANGA

2. INTRODUCCIÓN
Antes de recurrir al estudio de la norma es preciso hacer una revisión bibliográfica
sobre el tema para facilitar la comprensión de la fatiga térmica en los materiales,
George Dieter en su libro de metalurgia mecánica destina un capitulo para el estudio
de la fatiga donde se incluye el estudio de la fatiga térmica definida como la fatiga
mecánica provocada por los cambios térmicos repetitivos a los que se ven sometidos
los materiales, los mecanismos y los sistemas en general en sus condiciones de
servicio.
Estudiaremos primero el efecto de la temperatura en la fatiga de los materiales,
entendiéndose este como el proceso de someter el metal a fatiga a baja o a alta
temperatura, seguidamente estudiaremos el fenómeno denominado fatiga térmica
ocasionada por el cambio térmico de una pieza en servicio.
EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA FATIGA
Fatiga a temperaturas bajas.
Los ensayos de los metales a fatiga a temperaturas inferiores a la temperatura
ambiente muestran que la resistencia a la fatiga aumenta con el descenso de la
temperatura. Los aceros se hacen más sensibles a la entalla a temperatura baja.
Fatiga a temperatura elevada.
La resistencia a la fatiga de los metales a alta temperatura disminuye al aumentar la
temperatura por encima de la ambiente. Cuando la temperatura se eleva muy por
encima de la ambiente, va adquiriendo más importancia la fluencia lenta (creep). El
transito del fallo por fatiga al fallo por fluencia lenta, con el aumento de temperatura,
acarrea una variación del tipo de fractura, pasando de ser intercristalina usual de la
fluencia lenta en lugar de la transcristalina típica de la fatiga.
Cuanto mas elevada es la resistencia a la fluencia lenta de un metal, mayor suele
ser su resistencia a la fatiga a temperatura elevada, pero los tratamientos
metalúrgicos que conducen a las mejores propiedades de fatiga no proporcionan
necesariamente las mejores características en ensayos de fluencia lenta por
tensionado hasta la rotura. Toolin y Mochel lo demostraron en ensayos de
temperatura elevada. A temperaturas bajas, el tamaño de grano fino es beneficiado
para la resistencia a la fatiga, pero al elevarse la temperatura donde predomina la
fluencia lenta, es mejor la resistencia de los materiales de grano basto.

3. FATIGA TERMICA.
Los anteriores casos de fatiga a baja y alta temperatura se estudiaron para conocer
el comportamiento de los metales sometidos a fatiga en esas condiciones, se
estudiaron debido a que son conceptos básicos que facilitan el entendimiento del
fenómeno de la fatiga térmica. La fatiga térmica se da por las tensiones que se
producen debido a la fluctuación de temperatura, generándose en algunos casos
choque térmico.
Las tensiones de origen térmico se producen cuando ocurre de alguna manera el
cambio de dimensiones de una pieza resultante de la variación de la temperatura.
Para el caso sencillo de una barra fija en sus extremos, la tensión de origen térmico
que se produce por una variación de temperatura es
1)
σ: es el coeficiente de dilatación lineal
E: modulo elástico si el fallo se produce por una aplicación de la tensión de origen
térmico. Esta condición suele llamarse choque térmico, pero si el fallo ocurre por
aplicaciones repetidas de tensiones de origen térmico, se suele utilizar la expresión
fatiga térmica. En los equipos para temperaturas elevadas se presentan
frecuentemente las condiciones necesarias para el fallo por fatiga térmica. El acero
inoxidable austenítico es un material particularmente sensible a este fenómeno
porque su conductividad térmica es baja y su coeficiente de dilatación es elevado. La
tendencia a la fatiga térmica esta relacionada con el parámetro
2)
σ f es la resistencia a la fatiga a la temperatura media
K: conductividad térmica
Un valor elevado de este parámetro indica buena resistencia a la fatiga térmica.
ASPECTOS MACROSCÓPICOS DEL DAÑO POR FATIGA TÉRMICA:
Esfuerzos residuales:

4. Cuando se trata de un material de dos fases, donde las fases tienen distinta
expansión térmica, el cambio de temperatura produce un desajuste en la
deformación y en los esfuerzos térmicos entre las dos fases, los cuales pueden ser
muy complejos. Este tipo de esfuerzos residuales afectan la aparente expansión
térmica y pueden causar una alteración en el relieve de la superficie.
Durante los cambios de temperatura a los que se somete el material se producen
esfuerzos residuales.
Las deformaciones elevadas en la superficie dan lugar a una rápida propagación de
grietas en una multitud de sitios de iniciación. Las grietas se inician y crecen
igualmente en todas direcciones formando una red semejante a un mosaico, las
grietas relajan los esfuerzos perpendiculares al plano de ellas, de tal manera que las
nuevas grietas se encuentran con las viejas en un ángulo de 90º. Un patrón típico de
grietas por fatiga térmica se muestra en la fig.10.24.
Fig.1- Patrón típico con aspecto de mosaico formado por grietas por fatiga
térmica. (Reproducido con autorización del Dr. I. Virkkunen, Helsinki University
of Technology, Department of Mechanical Engineering, Helsinki, Finland).
ESTUDIO DE LA FATIGA TÉRMICA SEGÚN LA NORMA API 571 RP (2003).
Descripción del daño: La fatiga térmica es el resultado de las tensiones cíclicas
causado por las diferencias de temperatura. El daño se presenta en forma de
agrietamiento que puede ocurrir en cualquier lugar de un componente metálico
donde el respectivo movimiento o expansión diferencial es restringido,
particularmente bajo ciclos térmicos repetidos.

5. Este tipo de daño afecta a todos los materiales de construcción equipos y sistemas
en general como aceros ingenieriles, tuberías y ductos para el transporte de
hidrocarburos, Paredes de hornos y calderas.
Factores críticos.
1. Los factores clave que afectan la fatiga térmica son la magnitud de la fluctuación
de la temperatura y la frecuencia o el numero de ciclos con que se da dicho
cambio.
2. El tiempo de fallo es una función de la magnitud de la tensión, del número de
ciclos. El tiempo de fallo disminuye al aumentar el esfuerzo y al aumentar el
número de ciclos.
3. El inicio y apagado de los equipos aumentan la susceptibilidad a la fatiga térmica.
No hay límite establecido en los cambios de temperatura, sin embargo, como una
regla práctica, el agrietamiento se puede sospechar si la temperatura oscilación
superior a 93°C.
4. Los daños también ocurren por los cambios rápidos en la temperatura de la
superficie que dan lugar a un gradiente térmico a través del espesor o a lo largo
de la longitud de un componente. Por ejemplo: agua fría en un tubo caliente
(choque térmico)
5. Las muescas (tal como la punta de una soldadura) y en las esquinas fuertes (tal
como la intersección de una boquilla con un depósito del recipiente) y otras
concentraciones de esfuerzos pueden servir para los sitios de iniciación.
UNIDADES AFECTADAS O EQUIPOS
1. Los ejemplos incluyen los puntos de mezcla de las corrientes calientes y frías
como las ubicaciones donde el condensado entra en contacto con los sistemas
de vapor, pueden ocasionar sobrecalentamiento del equipo (fig. 4-11.)

6. Figura 4-11. Grietas de fatiga térmica en el interior de unos tubos de aguas,
tubería de un enfriador de inyección H2 en una línea de hidrocarburo caliente.
2. La falla por fatiga térmica es el mayor problema en los tambores recubiertos con
carbón. La fatiga térmica puede también ocurrir en la falda (lugar donde está
conectado el cilindro con la base) de un tambor en donde los esfuerzos son
promovidos por una variación de la temperatura en el tambor y la falda (fig. 4-13)
Figura 4-13. Agrietamiento por fatiga térmica
3. C) En equipos que generan vapor, los lugares más comunes son los espesores
rígidos entre tuberías cercanas que están supercalentadas y recalentadas.

7. 4. Los lugares de deslizamiento están diseñados para acomodarse relativamente,
el movimiento puede detenerse y actuar como fijaciones rígidas cuando entran en
contacto con partículas (polvo) de ceniza.
5. las altas temperaturas de recalentamiento o supercalentamiento penetran a
través de las paredes de los tubos de refrigeración y pueden dañarse por el calor
si la tubería no es lo suficientemente flexible. Estos daños son más comunes en
los equipos rígidos donde la expansión del calor relativo puede llegar a ser una
grieta en las paredes.
6. El vapor actúa soplando hollín (Sustancia grasa y negra depositada por el humo)
puede causar daño por fatiga térmica si el primer vapor que sale del hollín
soplado por la boquilla esta condensado. El enfriamiento rápido de la tubería por
el agua líquida promueve esta forma de daño. Similarmente el agua que entra o
el agua de doble flujo que se usa sobre paredes de tuberías puede tener el
mismo efecto.
ASPECTO Y MORFOLOGÍA DE LOS DAÑOS
1. la falla por fatiga térmica usualmente es iniciada en la superficie de los
componentes. Ellos son generalmente extensos y frecuentemente están llenos
con óxidos gracias a las elevadas temperaturas expuestas. Las fallas se pueden
convertir en simples o múltiples fracturas.
2. Las fracturas por fatiga térmica se propagan transversal al esfuerzo y ellos son
usualmente en forma de dagas y transgranular . Sin embargo, la fractura puede
ser axial o circunferencial, o ambas, en el mismo lugar.
3. En equipos de generación de vapor, se fractura usualmente siguiendo el cordón
de soldadura, como el cambio en el espesor de la sección creando esfuerzos
remanente. Las fracturas a menudo comienzan en el fin de una adhesión y si hay
un doblamiento momentáneo como un resultado de la restricción, serán
desarrollados dentro de las fracturas circunferenciales dentro del tubo
4. El agua de los sopladores de hollín puede conducir a un patrón de agrietamiento.
Las fracturas predominantes serán circunferenciales y la fractura menor será
axial.
PREVENCION Y MITIGACION
1. La fatiga térmica es mejor prevenirla atreves del diseño y minimizando la
operación de esfuerzos térmicos y ciclos térmicos. Los métodos severos de
prevención aplican dependiendo en donde se deben utilizar.
A. Los diseños que incorporen la reducción de los concentradores de
esfuerzos,
B. Expansión térmica diferencial entre componentes adyacentes de
materiales diferentes deben ser considerados.

8. C. La tasa que controla el calentamiento durante el encendido y apagado del
equipo puede reducir esfuerzos.
2. Los diseños deben incorporar suficiente flexibilidad para acomodar la expansión
diferencial.
A. En el equipo de producción de vapor, el espacio de deslizamiento deben
cumplir su función y la formación de lugares rígidos se deben evitar.
B. Las líneas de drenaje deben ser proporcionadas en los sopladores de
hollín para evitar condensado en la primera porción del ciclo de soplado de
hollín.
3. En algunos casos, un forro o funda puede ser instalado para evitar que un líquido
más frío entre en contacto con la presión caliente en el límite de la pared.
4. Una manera de prevenir este tipo de fatiga es eliminar, o por lo menos reducir,
las restricciones. Esto permite que los cambios dimensionales producidos por la
variación de la temperatura ocurran sin impedimentos o bien eligiendo materiales
con propiedades físicas apropiadas.
INSPECCION Y MONITOREO
A. desde la superficie la falla es usualmente conectada, una exanimación visual, MT
y PT son métodos efectivos de inspección.
B. Una inspección externa de SWUT puede ser usada para una inspección no
intrusiva interna de falla y donde se refuerzan con cámaras de prevención
examinando adicionalmente la boquilla.
C. Las paredes duras internas de un reactor unido por soldadura pueden ser
inspeccionadas usando técnicas de ultrasonido.
MECANISMOS RELACIONADOS
Fatiga por corrosión (ver 4.5.2) y falla por soldadura en diferentes metales (ver
4.2.12)
BIBLOGRAFIA
DITER. George, metalurgia mecánica. Editorial McGraw Hill 1988
Norma API 571 RP (2003)