Análisis de vida a fatiga según el procedimiento ASME Sección VIII División 2

Para el estudio de la vida a fatiga de un recipiente a presión, según el procedimiento presentado en el código ASME Sección VIII División 2 (Análisis de esfuerzo elástico y esfuerzos equivalentes), se requiere un análisis de la distribución de esfuerzos en las zonas críticas del recipiente, cuando este es sometido a los ciclos de cargas definidos por las condiciones de operación.

Partiendo de las cargas de operación del equipo, es necesario crear un histograma que incluya todas las cargas significativas presentes durante la operación del equipo, como son: presiones, temperaturas, cargas reactivas en las boquillas, el peso y los desplazamientos aplicables a los soportes. En este histograma también es necesario incluir los periodos de ocurrencia de estas cargas y la cantidad de veces que se repiten durante el ciclo de vida del recipiente.

Una vez definido el histograma de cargas se debe determinar el tensor de esfuerzos en los puntos de análisis y los esfuerzos equivalentes que luego serán comparados con los criterios de falla seleccionados.  Para definir las magnitudes de las componentes del tensor de esfuerzo, así como el esfuerzo equivalente en el caso de estudio que se presenta en este artículo, se utilizaron el conjunto de las soluciones ANSYS Workbench, que incluyen un modelador de geometría, ANSYS Discovery Modeling, y la herramienta de análisis FEM, ANSYS Mechanical.

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El caso presentado en este estudio, corresponde a un recipiente a presión cilíndrico vertical, operando con gas natural licuado, en un rango de presión entre 0,13 – 10,0 bar y un rango de temperatura entre -163 y 15 °C con 3 casos de cargas y 1.560 ciclos definidos en el histograma de carga.

El primer paso para el desarrollo del estudio fue generar un modelo usando elementos tipo concha (SHELL181), que permite la simplificación de la geometría y conserva las características elásticas elementales necesarias para el estudio. En este modelo fue necesario la definición de las zonas de mallado especiales en los puntos críticos del recipiente como se muestra en la figura 1. Una vez generado el modelo con zonas específicas bien definidas, se utilizaron las herramientas básicas de ANSYS Mechanical para la generación de una malla (figura 2) de 69.165 elementos y 69.100 nodos. Una vez definido el mallado del recipiente, fueron aplicadas las cargas de presión y temperatura según el histograma de cargas, y se obtuvieron esfuerzos equivalentes en un rango de 1,2 MPa; 85,4 MPa y 101,6 MPa para cada caso de carga respectivamente (figura 3).

A partir de estos valores de esfuerzo se determinaron: el esfuerzo alternante y su amplitud, el número de ciclos permisibles según las características de recipiente y el daño acumulativo producido por fatiga, para luego comparar este daño con el criterio del código (Ecuación 1):

Este es un ejemplo muy demostrativo de cómo puede adaptarse el procedimiento de cálculo estipulado en una norma de diseño cuando se emplean herramientas de apoyo al diseño, en este caso Ansys Mechanical para la determinación de esfuerzos alternantes de operación en un equipo a presión.

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