failure analysis of pressure vessel

FAILURE ANALYSIS OF PRESSURE VESSEL
Ezequiel Pasquali (1)
Héctor Sbuttoni (1)
ABSTRACT
This paper presents how a deficience in design can cause the collapse of a pressure vessel which was used as an
acumulator of compressed air.
Taking into consideration the fractographic examination of the component that failed, the start & sequence of failure
could be established. It was determined that the collapse was caused by mechanical overstress because the plate
which was used to build the envelope suffered a severe thinning in the inner cord welding as a result of the presence
of a backing with "spot" weld. The presence of this back support not only favored the corrosion but also acted as a
tension concentrator, promoting the appearance and propagation of fatigue cracks. This last progressive failure
phenomenon was also detected in the weld of the vessel and could have happened together with the corrosive
phenomenon in the inititation zone of the failure.
It will be shown objective evidence and bibliography gathered during this research, which state the reasons why the
execution of this type of backing is severely restricted by the building codes of pressure vessel.
Finally, it will be shown background information of non-destructive testing carried out with the aim to obtain the
authorization before the OPDS (Provincial Agency for Sustainable Development) of similar equipments from the
same manufacturer and which showed defects in welded joints and led to the decline of these vessels besides, it will
be discussed the importance of effective controls on such equipments by professionals, given the damages to people
& facilities that may cause the collapse of them.
Key words: Failure analysis, pressure vessel, corrosion, fatigue, welding.
(1)
Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y Calle 19 Oeste, (2900) San Nicolás, Buenos Aires, Argentina.
[email protected] / [email protected].
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4th IAS Conference on Uses of Steel, 2008, Rosario, Argentina
ANÁLISIS DE FALLA DE RECIPIENTE SOMETIDO A PRESIÓN
Ezequiel Pasquali (1)
Héctor Sbuttoni (1)
RESUMEN
El presente trabajo muestra como una deficiencia de diseño originó el colapso de un recipiente sometido a presión
que se empleaba como acumulador de aire comprimido.
A partir del estudio fractográfico del componente que falló pudo establecerse la secuencia de falla y la zona de
inicio de la misma. Se determinó que el colapso fue producido por un sobreesfuerzo mecánico debido a que la chapa
con la que se construyó la envolvente sufrió un severo adelgazamiento en la zona interna del cordón de soldadura
producto de la presencia de un respaldo permanente con soldadura tipo “spot”. La presencia de este respaldo además
de favorecer la corrosión localizada actuó como concentrador de tensiones, promoviendo la aparición y propagación
de fisuras por fatiga. Este último fenómeno de rotura progresivo también fue detectado en los cordones de soldadura
del recipiente y podría haberse dado en conjunto con el fenómeno corrosivo en la zona de inicio de la falla.
Se expondrá evidencia objetiva recabada durante el presente estudio, y de bibliografía, de las razones por las cuales
la ejecución de este tipo de respaldo está seriamente restringida por los códigos de construcción de recipientes
sometidos a presión.
Por último se mostrarán antecedentes de controles no destructivos realizados con la finalidad de tramitar la
habilitación ante la OPDS (Organismo Provincial para el Desarrollo Sostenible) de equipos similares del mismo
fabricante, los cuales evidenciaron defectos en las uniones soldadas y motivaron la baja de estos recipientes y se
discutirá acerca de la importancia de realizar controles efectivos en este tipo equipos por profesionales habilitados
para tal fin, dado la gravedad del perjuicio a las personas e instalaciones que puede ocasionar su colapso.
Palabras clave: Análisis de falla, recipiente sometido a presión, corrosión, fatiga, soldadura.
1. INTRODUCCIÓN
La falla o colapso de un recipiente sometido a presión, entendiéndose como tal a todo recipiente que contenga un
fluido sometido a una presión interna superior a la presión atmosférica, puede ser catastrófica y generalmente muy
peligrosa para las personas e instalaciones que se encuentran alrededor de ellos debido a la elevada energía potencial
que almacenan. La figura 1 muestra 3 ejemplos de fallas en recipientes sometidos a presión que contenían diferentes
fluidos y trabajan a distintas presiones, los 3 ejemplos mostrados ocasionaron muertes de operarios y personal que al
momento de la falla se encontraba en el lugar y graves pérdidas materiales en las instalaciones donde operaban.
Figura 1. Ejemplos de fallas de 3 recipientes sometidos a presión que trabajaban en diversas condiciones.
Figure 1. Examples of failures of 3 pressure vessel that worked in different conditions.
(1)
Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y Calle 19 Oeste, (2900) San Nicolás, Buenos Aires, Argentina.
[email protected]
/
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Un recipiente sometido a presión, como se mencionó anteriormente, es un acumulador de energía y de allí es que
viene generalmente lo devastador de su falla, ya que al producirse, libera una gran cantidad de energía acumulada en
un tiempo muy corto. Otro equipo de características y prestaciones próximas a un recipiente sometido a presión son
las calderas de potencia; y fue como consecuencia de la falla de muchas de ellas que hacia finales del siglo XVIII y
comienzos del siglo XIX se viera la necesidad de regular su diseño, fabricación e inspección. Luego de numerosas
deliberaciones y estudios llevados a cabo por asociaciones y entes, algunos de ellos creados a tales fines, ASME
(American Society of Mechanical Engineers) produjo el primer código para calderas y recipientes a presión llamado
sección I: Calderas de Potencia, y fue editado por primera vez en los inicios del siglo XX, más específicamente en
1914. El trabajo de esta institución continuó avanzando y luego de numerosas publicaciones, en 1928 se publicó la
sección VIII Códigos para recipientes a presión sin fuego. Código que actualmente es uno de los más utilizados a
nivel mundial para el diseño y reparación de recipientes sometidos a presión.
Nuestro país no cuenta con un código explicito para la fabricación de tales equipos y generalmente se emplea el
código ASME VIII; sin embargo existen otros códigos internacionales para el diseño, construcción y fabricación de
recipientes sometidos a presión como el AD Merkblätter (alemán). Por otro lado, no hay una legislación nacional al
respecto, existiendo para cada provincia una normativa diferente y en algunos casos no teniendo un parámetro o
normativa explicita en el tema. La ambigüedad de las normativas actuales en la Argentina no establece una clara
obligación del fabricante de recipientes sometidos a presión de vender los equipos controlados y habilitados; ni
tampoco exige que los usuarios los controlen y habiliten como debería esperarse, generándose en muchos casos un
peligro potencial elevado, dada la proximidad cotidiana que muchas veces se tiene con un recipiente sometido a
presión, como por citar un ejemplo: el acumulador de aire de una gomería o estación de servicios.
Numerosos especialistas han citado este vacío legal como un problema a solucionar e incluso el colegio de
Ingenieros Especialistas de Santa Fe ha reclamado la actualización de las leyes regulatorias a fin de mejorar la
seguridad y el control que se ejerce sobre estos equipos. Con la esperanza de poder contribuir a fomentar e
incentivar una mejora en los controles y las exigencias a cumplimentar para fabricar un recipiente es que se ha
desarrollado este trabajo.
2. DESARROLLO
El análisis de falla que originó este trabajo surgió a raíz del colapso en servicio de un equipo utilizado como
acumulador de aire a presión, cuya presión máxima de operación era de 9 Bar, trabajaba en forma vertical, fue
construido por un fabricante nacional, siendo el material utilizado para la fabricación es un acero calidad F24 de
acuerdo a la norma IRAM IAS U 500-42 [1]. La envolvente poseía un espesor original de 2,5 mm y los cabezales
semielípticos un espesor de 3,2 mm.
Como primer paso en todo estudio de fallas se llevo adelante el análisis fractográfico del componente roto. La
observación visual y posteriormente el uso de lupa estereoscópica y microscopio electrónico de barrido, permitieron
determinar que el inicio de la falla se dio en la zona central del envolvente como muestra la figura 2 detallándose en
color verde el sentido de progresión de la rotura.
Figura 2. Zona de inicio de la fractura y detalle de la progresión de la misma.
Figure 2. Zone of failure start and details of failure propagation path.
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Además, pudo establecerse en el análisis fractográfico que, el espesor de la chapa en la zona de inicio de la falla
presentaba una disminución considerable como muestra la figura 3. Sin embargo la corrosión no se limitaba solo a
esa zona de la chapa (zona de inicio de la falla); ya que en diferentes muestras extraídas de la zona de inicio de
rotura y de otras zonas de las superficies de fractura del envolvente, se pudo determinar que existió un proceso de
corrosión que disminuyó la sección resistente.
Figura 3. Disminución del espesor por corrosión en la zona de inicio de la falla.
Figure 3. Decrease in the thickness by corrosion in the zone of failure was started.
La figura 4 muestra tres sectores de la superficie de rotura de donde se extrajeron muestras para observación
mediante lupa estereoscópica y microscopio electrónico, con la finalidad de analizar minuciosamente el mecanismo
de fractura bajo el cual se desenvolvió la rotura y cuantificar la disminución por corrosión sufrida por el componente
en cada sector.
Figura 4. Sectores de la superficie de rotura elegidos para el análisis fractográfico.
Figure 4. Sections of the fracture surface chosen for fractographic analysis.
Luego de una exhaustiva limpieza por ultrasonido, pudo establecerse efectivamente que en la zona de inicio del
colapso el espesor de la chapa se encontraba seriamente disminuido, llegando a presentar una disminución del orden
del 80% del espesor original en dicha zona, ver detalle en figura 6.
A medida que se fue recorriendo la chapa en el sentido de la progresión de la fractura (hacia las muestras
identificadas como 2 y 3 de la figura 4) se vio como el espesor de la fractura era mayor, la figura 7 muestra un
detalle de esto.
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Figura 5. Fotografías tomada con lupa estereoscópica y microscopio electrónico de barrido de las paredes de la
chapa de la envolvente en el inicio del colapso (zona 1 figura 4).
Figure 5. Pictures taken with stereoscopy magnifying glass and MEV of the wall of the envelope in the zone of the
failure was started (zone 1 picture 4).
a)
b)
Figura 6. Detalle del incremento del espesor en la chapa del envolvente al alejarse del inicio de la falla. a) Zona 2,
figura 4. b) Zona 3, figura 4.
Figure 6. Details of the increase in the thickness of the plate of the envelope to move away from the failure start.a)
Zone 2, picture 4. b) Zone 3, picture 4.
La observación mediante microscopio electrónico de barrido permitió determinar que la rotura del recipiente se
desarrolló por el mecanismo de fractura instantánea del tipo dúctil [2] [3].
A pesar de que existía corrosión generalizada en todas las superficies internas del recipiente en estudio; es evidente
que la corrosión fue mayor en la zona de inicio de la falla. El estudio de la causa que generó una mayor tasa de
corrosión en la zona de inicio de la falla excede el alcance de este trabajo y la búsqueda de las causales de este
fenómeno ameritaría un estudio por separado.
Sin embargo; es muy importante destacar que en la zona de inicio de la falla existía un respaldo permanente que
ayudo a la acumulación de depósitos y humedad en dicho sector del componente roto. Este punto es muy importante
desde varios aspectos y existe en bibliografía amplia información y evidencias objetivas sobre lo perjudicial que
puede ser un respaldo en uniones soldadas si no se ejecuta correctamente.
El respaldo observado en el recipiente en estudio, ver figura 7, es indeseable desde dos puntos de vista:
1) Desde el punto de vista de los códigos de construcción este tipo de respaldo es ampliamente limitado y está
prohibido si no se lo ejecuta con una soldadura continua [4].
2) Desde el punto de vista de la corrosión, este tipo de respaldo están ampliamente desaconsejados debido a que
favorecen la retención de humedad y depósitos en el gap o espacio entre chapas, la figura 8 muestra un
ejemplo esquemático extraído de bibliografía, donde se muestra como un mal diseño de respaldo favorece
la corrosión por hendidura (crevice corrosion) [5].
3) Además este tipo de respaldo favorece la aparición y posterior propagación de fisuras por fatiga, debido a que
actúan como concentradores de tensión [6].
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Figura 7. Respaldo con soldadura tipo “spot” en la costura longitudinal de la envolvente del recipiente.
Figure 7. Back with spot weld in the longitudinal welded joint of the envelope of the vessel.
Figura 8. Proceso de corrosivo a partir de un respaldo. Diseños de juntas relación con su desempeño a la corrosión.
Figure 8. Corrosive process from a back. Joints design and its relationship with their corrosion performance.
Mediante el estudio metalográfico de diferentes zonas de la pieza fallada, pudo corroborase el severo
adelgazamiento sufrido en la zona de inicio del colapso, las estructuras de transformación presentes en las uniones
soldadas y la presencia de fisuras las cuales progresaban por fatiga en las juntas soldadas y como consecuencia de la
presencia del respaldo permanente. La figura 9 muestra gráficamente las zonas de la muestra tomada en el inicio de
la rotura donde se realizaron observaciones metalográficas. También se efectuaron observaciones metalográficas en
otras zonas alejadas del sector de inicio de falla.
Figura 9. Zonas de la soldadura y el respaldo observados mediante microscopía óptica.
Figure 9. Zones of the welded joint and backing observed by optical microscopy.
En la zona de inicio del colapso, en el sector identificado como micrografía 1, se puedo apreciar claramente como se
adelgazó el espesor de la chapa por corrosión. La figura 10 muestra un detalle de lo analizado.
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Figura 10. Disminución del espesor de la chapa por corrosión en la zona de inicio de falla.
Figure 10. Thickness decreased in the steel plate by corrosion in the zone of the failure was started.
En todas las muestras analizadas, la estructura metalográfica observada en el material base está constituida por
ferrita con perlita en el borde de los mismos; las estructuras del material del aporte son del tipo columnar y se
aprecian estructuras de transformación en las zonas ZAC (zonas afectadas por el calor). En algunos casos se
apreciaron estructuras bainíticas en los bordes de las zonas ZAC de las juntas soldadas.
Figura 11. Estructuras metalográficas en el cordón de soldadura, material base, ZAC y detalle de las fisuras
progresando por fatiga.
Figura 11. Metallographic structures in the welded joint, base material, ZAC and detail of the fatigue cracks
progressing by fatigue.
Si bien el material utilizado para la fabricación del recipiente es un acero con un tenor de carbono bajo; siendo su
carbono equivalente también es bajo, y en principio se podría efectuar la soldadura sin mayores problemas. La
heterogeneidad microestructural observada en el recipiente revela que podría existir una incorrecta elección en el
material de aporte. Además este tipo de heterogeneidad favorece el proceso de fatiga que se podría dar en la unión
soldada, ya que actúa como un concentrador de tensiones metalúrgico incrementando aún más las tensiones en dicha
zona que de por sí ya se ve incrementada por razones geométricas.
Se efectuaron mediciones de microdureza Vickers (100 gr) en una de las uniones soldadas, de acuerdo a lo mostrado
en la figura 12, para mostrar la diferencia en las propiedades mecánicas que presenta la junta soldada.
Además de las consideraciones expuestas anteriormente acerca de lo indeseable que es un respaldo “spot” en una
unión soldada, desde el punto de vista de la corrosión. El respaldo favoreció la concentración de tensiones que
promovieron la aparición y progreso de las fisuras observadas. Los códigos constructivos prohíben los respaldos
permanentes (a pesar de que son adecuados para facilitar el soldeo), ya que no son recomendables para estructuras
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sometidas a carga dinámica, pues su presencia en las uniones soldadas produce una desviación de las líneas de
fuerza, de tal modo que se convierten en concentradores de tensiones geométricos. Vale decir, que lejos de reforzar
la unión la debilitan produciendo una mayor posibilidad de rotura por fatiga. Un respaldo permanente equivale a un
cambio brusco de sección en el material, donde las fuerzas internas sufren un cambio de dirección, siendo el origen
de la formación de grietas en toda estructura sometida a carga dinámica. La figura 13 muestra una fisura por fatiga a
través del cordón de soldadura, iniciada en el concentrador formado por la presencia del respaldo permanente,
extraída de bibliografía [6].
Figura 12. Mediciones de microdureza efectuadas en el cordón de soldadura del respaldo y variación de la misma.
Figure 12. Microhardness measurement made on the backing welded joint and its variation.
Figura 13. Fisura por fatiga, en un cordón de soldadura, que se inició a raíz de la presencia de un respaldo
permanente por soldadura “spot”.
Figure 13. Fatige crack, in the welded joint, which was initiated as a result of the presence of a permanent back
welded by spot weld.
3. COMENTARIOS Y DISCUSIÓN
A lo largo del presente trabajo se ha mostrado evidencia clara y objetiva de lo perjudicial que resulta la presencia de
un respaldo permanente en un recipiente sometido a presión. También se pudo determinar claramente éste fue la
causa raíz que originó la falla, y por el cual luego se dio el proceso corrosivo que desencadeno la falla y también la
aparición y progresión de fisuras por fatiga. Fenómeno, este, que también podría haber contribuido al colapso del
equipo o haberlo generado a posterioridad por su solo efecto (de no haber existido corrosión).
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Se debería entender la presencia del respaldo como una falta o error de diseño grave; ya que su ejecución está
prohibida por los códigos de construcción de recipientes sometidos a presión (si se tiene en cuenta el código ASME
VIII, lo menciona claramente en los puntos UW 12 y UW 31).
La empresa fabricante del recipiente en estudio puso en el mercado aproximadamente 4000 de estos equipos,
muchos de los cuales se encuentran en empresas de nuestra zona de influencia. Algunas de estas empresas solicitan
habitualmente el control y la regularización de las habilitaciones y/o extensión de vida ante el OPDS de sus
recipientes sometidos a presión al IAS. En los recipientes de esta firma, al momento de llevar adelante una serie de
ensayos no destructivos con la finalidad de garantizar la sanidad estructural de estos equipos y certificar la aptitud de
las soldaduras, se encontró que, además de la presencia del respaldo permanente las uniones soldadas evidenciaban
una serie de defectos severos que por sí solos ya habrían sido motivo de rechazo del equipo para operar. La figura 14
muestra un detalle de un control mediante gammagrafía realizado a la junta del envolvente donde se apreciaban
defectos como: penetración incompleta en la soldadura; porosidad agrupada y porosidad.
Figura 14. Defectos encontrados en la junta soldada del envolvente de un recipiente fabricado por la firma que
construyó el equipo que falló.
Figure 14. Defects found in the welded joint of the envelope of a vessel manufactured by the same constructor that
built the vessel that failed.
La figura 15 muestra detalladamente una placa donde se puede apreciar claramente la presencia del respaldo
permanente, y además se ven defectos en la junta soldada. Tanto el respaldo, como los defectos presentes en la
soldadura motivan por sí solos el que este equipo no pueda ser habilitado para operar.
Figura 15. Placa de gammagrafía donde se observa el respaldo permanente y defectos en la unión soldada.
Figure 15. Gammagraphic plate shown permanent back and welded joint defects.
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Un recuento estadístico de accidentes relacionados con fallas de recipientes a presión fue llevado a cabo por el
Comité Nacional de Inspectores de Recipientes a Presión de EEUU a lo largo de 4 años [2], donde se pudo
determinar que el 17,47% de los recipientes en los que su falla se inició en el envolvente, la misma estuvo
relacionada con errores de diseño o corrosión de la junta soldada. Solo los errores de operación de los equipos
generan más fallas que estos dos problemas asociados, con lo que se puede tener una idea general de la severidad de
contar con equipos que potencialmente pueden tener deficiencias constructivas y a raíz de ellas generar un proceso
de rotura por corrosión o fatiga.
4. CONCLUSIONES
El recipiente sometido a presión en estudio falló por un sobreesfuerzo mecánico iniciándose el colapso en la zona
central de la envolvente del equipo. Este sobreesfuerzo se produjo a raíz de que la chapa con la que se construyó la
envolvente sufrió un severo adelgazamiento en la zona interna del cordón de soldadura debido a la presencia de un
respaldo permanente con soldadura tipo “spot”.
La ejecución de este tipo de respaldos está ampliamente limitada por los códigos de construcción y fabricación de
recipientes sometidos a presión, por varios motivos dentro de los cuales se pueden citar que: favorecen la retención
de humedad y depósitos en los gap o espacios entre chapas, generan concentración de tensiones favoreciendo y
promoviendo la propagación de fisuras por fatiga. Este último fenómeno de rotura progresivo también detectado en
los cordones de soldadura del recipiente y podría haberse dado en conjunto con el fenómeno de corrosivo en la zona
de inicio de la falla.
Es muy importante, a los fines de la seguridad de las personas y equipos, que los recipientes que hayan sido
fabricados bajo está metodología sean controlados y evaluada su aptitud para seguir en servicio, dado que la falla de
un recipiente sometido a presión puede ocasionar accidentes graves e incluso muertes.
REFERENCIAS
[1] IRAM IAS U 500-42 “Chapas de acero al carbono, laminadas en caliente, para uso estructural” Quinta edición
11/05/2003.
[2] Metals Handbook.Volume 11 “Failure Analysis and Prevention” ASM Edition 1980.
[3] Metals Handbook.Volume 11 “Failure Analysis and Prevention” ASM Edition 2002.
[4] Wilson Brian R. “Equipment cracking failure case studies: The human error factor” Canspec Group Inc. August
2000.
[5] Metals Handbook.Volume 13 “Corrosion” ASM Edition. 2002.
[6] IAS “Curso de Especialización en Inspección de Soldadura” versión 2004.
[7] ASME VIII. Div. 1. “Rules for construction of pressure vessel” Edition 2007.
[8] ASME IX. “Welding and Brazing Qualifications” Edition 2007.
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