Comprender la fuerza de la tracción es fundamental para el diseño seguro y eficiente de los buques y tanques de presión. Estas estructuras se encargan de contener líquidos o gases a presiones muy superiores al ambiente, a menudo bajo temperaturas extremas y condiciones corrosivas. La capacidad del material para resistir fuerzas de tracción sin deformación permanente o ruptura determina directamente la fiabilidad, la vida útil y los márgenes de seguridad del buque.

Definición de la fuerza de la tracción: rendimiento versus último

La fuerza de la tracción se mide como el máximo estrés que un material puede soportar mientras se estira o se tira antes de romper. En contextos de ingeniería, dos valores distintos son críticos:

  • ]Yield Strength: El estrés en el que un material comienza a deformarse plásticamente. Para los vasos de presión, a menudo es el valor límite para el diseño porque la deformación permanente compromete la integridad dimensional y puede conducir a fugas.
  • Ultima tensión de tensión (UTS): El máximo estrés que el material puede soportar antes de la fractura. Representa el punto de falla absoluto y se utiliza en conjunto con factores de seguridad para definir límites de tensión permitidos.

Ambos valores se expresan en unidades de fuerza por área —normalmente megapascals (MPa) o libras por pulgada cuadrada (psi). Por ejemplo, el acero al carbono común utilizado en vasos de presión tiene una fuerza de rendimiento alrededor de 250 MPa y un UTS de aproximadamente 400-550 MPa, mientras que los aceros de aleación de alta resistencia pueden alcanzar rendimientos superiores a 700 MPa.

El papel de la fuerza de la tensión en el diseño de la máquina de presión

Los vasos de presión están diseñados para contener presión interna que crea tensiones de tensión en la pared del vaso. Los dos componentes de estrés primario son:

Estrés de aro y estrés longitudinal

Para un vaso cilíndrico de paredes delgadas, el estrés del aro (circumferencial) es aproximadamente el doble del estrés longitudinal (axial). El estrés del aro se calcula como σ h = P × R / t, donde P es la presión interna [LT:4]

Factores de seguridad y Margenes de diseño

Códigos de diseño, como el Código de Boiler y Presión ASME (BPVC) Sección VIII División 1, exigen factores de seguridad basados en la fuerza de tracción de materiales. Típicamente, el estrés permitido se establece en la parte inferior de:

  • Un tercio de la fuerza de tracción máxima a temperatura ambiente
  • Dos tercios de la resistencia al rendimiento a la temperatura del diseño

Estos márgenes conservadores representan imperfecciones de soldadura, corrosión, carga cíclica y variabilidad material. Sin una fuerza de tracción bien definida, los ingenieros no pueden establecer ventanas de operación seguras o determinar el espesor de la pared requerido.

Selección de materiales para la alta tensión de tensión

Elegir un material con una fuerza de tracción adecuada es un acto de equilibrio. Los ingenieros deben considerar no sólo la fuerza sino también la resistencia, la soldabilidad, la resistencia a la corrosión y el costo. Las secciones siguientes examinan las categorías de material más comunes.

Aceros de carbono y aleación

Los aceros con bajo carbono (por ejemplo, SA‐516 Grado 70) ofrecen una buena combinación de fuerza, ductilidad y asequibilidad. Son ampliamente utilizados para tanques de almacenamiento y vasos de presión moderada. Los aceros de aleación como SA‐387 (Cr‐Mo) proporcionan mayor resistencia y resistencia a la protuberancia a temperaturas elevadas, haciéndolos adecuados para reactores y intercambiadores de acero en la industria petroquímica.

Acero inoxidable

Los aceros inoxidables autóctonos (por ejemplo, 304L, 316L) se valoran por su resistencia a la corrosión y dureza criogénica, aunque su resistencia al rendimiento es relativamente baja (alrededor de 200 a 300 MPa). Los aceros inoxidables dúplex ofrecen casi el doble de la resistencia al rendimiento al conservar la buena resistencia a la corrosión.

Materiales compuestos

Los polímeros reforzados por fibra (FRP) y los compuestos de fibra de carbono se utilizan cada vez más para los vasos de presión ligeros, especialmente en el almacenamiento de gas natural aeroespacial y comprimido (GNC). Su fuerza de tracción es anisotrópica —mucho más alta en la dirección de la fibra— y debe estar cuidadosamente orientada en relación con las principales direcciones de estrés.

Otros materiales especializados

Para condiciones extremas, los ingenieros pueden recurrir a aleaciones de titanio (alta resistencia al peso, excelente resistencia a la corrosión), superallas basadas en níquel (para la fuerza de la protuberancia de alta temperatura), o incluso vasos forrados donde una fuerte cáscara exterior (cero de carbono) lleva la carga mientras que un revestimiento interior (por ejemplo, PTFE) proporciona resistencia química.

Factores que afectan la fuerza de la tensión en el servicio

La fuerza de tracción de un material no es inmutable. Varios factores operativos y ambientales pueden degradarlo con el tiempo, que deben ser factorizados en intervalos de diseño e inspección.

Temperatura

La mayoría de los metales pierden fuerza de tracción a medida que aumenta la temperatura. A temperaturas criogénicas, la fuerza puede aumentar pero la resistencia a menudo disminuye. Los códigos requieren que la fuerza de tensil se derretire a temperaturas elevadas utilizando valores publicados de estándares como la Sección II de ASME Parte D. Por ejemplo, SA‐516 Gr. 70 tiene un UTS de 485 MPa a 20°C pero cae a unos 400 MPa a 400 MPa.

Corrosión e incrustación de hidrógeno

La corrosión general reduce la sección transversal de carga efectiva, aumentando el estrés real. La corrosión localizada (pitación, rajamiento de corrosión de estrés) puede crear elevadores de estrés que inician el fracaso por debajo de la fuerza de tracción nominal del material. En entornos de gas agrio, la inmersión de hidrógeno puede reducir severamente la ductilidad y la fuerza aparente de tracción de aceros de alta resistencia.

Fatiga y Ciclic Cargando

La presión y la depresión repetidas pueden causar que las grietas de fatiga comiencen y crezcan, incluso cuando las tensiones pico están muy por debajo del rendimiento. La fuerza de fatiga (límite de resistencia) es generalmente mucho menor que la fuerza de la tensión. Los códigos de diseño como ASME Sección VIII División 2 proporcionan métodos de análisis de fatiga que dependen de la resistencia máxima del material para generar la curva de fatiga del diseño.

Creep

A altas temperaturas, los materiales pueden deformarse lentamente bajo estrés constante, un fenómeno llamado escalón. La fuerza de ruptura de escacielos, que es el estrés que causa el fracaso después de un tiempo dado a temperatura, es a menudo significativamente menor que la fuerza de tracción a corto plazo. Para los buques que operan por encima de 370°C, las consideraciones de escabullición gobiernan el estrés permitido.

Pruebas y garantía de calidad de la fuerza de la tensión

Verificar que el material entregado a la fábrica cumple con las propiedades de tensil especificadas es una piedra angular de garantía de calidad. La metodología estándar es la prueba de insecticida uniaxial, realizada de acuerdo con ASTM E8/E8M o ISO 6892.

Procedimiento de ensayo de insecticidas

Un espécimen mecanizado se tira a una velocidad controlada hasta la fractura. El punto de rendimiento de los registros de prueba (método de desgastado para materiales sin un punto de rendimiento claro), resistencia a la tensión, alargamiento y reducción de área. Para el acero a recipientes de presión, la especificación a menudo requiere mínimo UTS y valores de rendimiento junto con una elongación mínima (por ejemplo, 20% en 50 mm) para asegurar una ductilidad adecuada para la formación y soldadura.

Correlación de los ensayos no destructivos (NDT)

Mientras que las pruebas de tracción son destructivas, se realiza en cupones del mismo calor del material. Los métodos posteriores de NDT, como las pruebas ultrasónicas, la inspección de partículas magnéticas o la radiografía, se utilizan para confirmar que el buque fabricado está libre de defectos que podrían comprometer su capacidad de carga. Las pruebas de dureza también pueden proporcionar una indicación indirecta de resistencia a la tracción para ciertos aceros, aunque no sea una medición directa.

Zona de tensión de la tensión de la tensión de la zona húmeda y caliente

Las articulaciones soldadas son a menudo el enlace más débil en un recipiente de presión. La fuerza de la tensión soldada debe coincidir o superar la del metal base. Los procedimientos y los soldadores están calificados mediante pruebas de cupones de soldadura transversales y longitudinales. El tratamiento térmico pos-bienal puede ser requerido para restaurar la ductilidad y reducir las tensiones residuales, lo que de otra manera puede causar falla prematura en la carga de la tensión.

Códigos y reglamentos que rigen los requisitos de fuerza de la tensil

Varios códigos internacionales establecen valores mínimos de resistencia a la tensión y reglas de diseño para buques de presión. El cumplimiento es generalmente obligatorio para el funcionamiento legal.

Código de la botella y la rueda de presión

La sección VIII del ASME BPVC cubre buques de presión sin fuego. Las divisiones 1 y 2 utilizan filosofías de diseño diferentes. La División 1 aplica un enfoque de diseño por cúmulo con un factor de seguridad de 3.5 en UTS y 1.5 en rendimiento. La División 2 utiliza un método de diseño más riguroso por análisis con un factor de seguridad de 3 en UTS y 1.5 en rendimiento. Ambos dependen de la resistencia a la tensión del material como la base de tablas permitidos

European Standard EN 13445

[LT][LT][FLT] [14] [FLT] [4]] [4]F] [4]F] [4]] [4]F] [4]F] [4]

Otros Códigos Internacionales

Países como China (GB 150), Japón (JIS B 8265), y Australia (AS 1210) tienen sus propios códigos, todos los que están vinculados fundamentalmente a la fuerza de la insección. Independientemente de la jurisdicción, las propiedades de insecticida certificadas del material deben ser documentadas en un certificado de prueba de material (EN 10204 Tipo 3.1 o 3.2).

Ejemplo de diseño práctico: Calculación de la espesor

Para ilustrar el uso directo de la fuerza de la tensil, considere un recipiente cilíndrico hecho de SA‐516 Grado 70 (UTS = 485 MPa, rendimiento = 260 MPa) diseñado para una presión interna de 2 MPa con un radio interior de 500 mm. Usando ASME VIII Div. 1:

  • Estres admisibles S] = min(UTS/3.5, rendimiento/1.5) = min(138.6 MPa, 173.3 MPa) = 138.6 MPa
  • Espesor requerido t] = ]P × R / (S × E − 0.6P)] donde E es la eficiencia articular (say 0,85 para la articulación doble de la culata)
  • t = 2 × 500 / (138.6 × 0,85 − 0,6 × 2) ♥ 7.8 mm (más la prestación de corrosión)

Si se utiliza un material de menor resistencia como SA‐515 Gr. 60 (UTS = 415 MPa), el espesor requerido aumentaría a unos 9.2 mm, elevando los costos de material y fabricación. Por el contrario, una aleación de alta resistencia podría reducir el peso pero requerir controles de soldadura más estrictos.

Modos de falla comunes relacionados con la fuerza de tracción

Comprender la fuerza de la tracción por sí sola no es suficiente — los ingenieros también deben anticipar cómo puede ocurrir el fracaso.

  • Burst: Cuando la presión interna supera la fuerza de tracción máxima de la pared, la rotura de la nave es catastrófica. La presión de la comercialización es directamente proporcional a UTS y el espesor.
  • Rendimiento:] Si el estrés del diseño excede la fuerza de rendimiento, el recipiente sufre deformación permanente. Cabezas desgarradas pueden abultar, las bridas pueden acariciarse, y las focas pueden filtrarse.
  • Fracture de hervidor: Los materiales con baja resistencia (a menudo aceros de alta resistencia) pueden fracturarse de repente en tensiones muy inferiores a rendimiento si hay una grieta o un noche. Pruebas de impacto (Charpy V‐notch) se utiliza para asegurar que la dureza de fractura del material es adecuada para la temperatura del servicio.
  • ] Crep Rupture: A altas temperaturas, la carga de tracción a largo plazo puede causar fallas a las tensiones muy por debajo de la fuerza de tracción a corto plazo. Por eso los datos de ruptura de escacielos son esenciales para los diseños de alta temperatura.

Asegurar la integridad a largo plazo mediante la inspección

Incluso después de que un buque se construya a las especificaciones correctas de resistencia a la tensión, los programas de inspección en el servicio monitorizan la degradación que reduce la fuerza efectiva. Las mediciones de espesor (ultrasónica) detectan pérdida de corrosión. Las pruebas de dureza pueden revelar sobre-temperancia o embrittlement. Las pruebas de presión (hidrostática o neumática) se realizan a presión de 1.3 a 1,5 veces la presión de rendimiento de diez grados.

Conclusión

La resistencia a la tensión es mucho más que un número en una hoja de datos material, es la propiedad fundamental que rige la contención segura de la presión. Desde la selección de materiales iniciales y cálculos de espesor hasta el cumplimiento de código y la vigilancia en el servicio, una comprensión completa del rendimiento y la fuerza de tracción máxima permite a los ingenieros diseñar buques que sean rentables y fiables.

Para más lectura, consulte las reglas de la Sección VIII de ASME BPVC ], la norma ASTM E8/E8M para pruebas de insecticida, y datos detallados de propiedad material en TWI Global’s technical resources on tensile strength.