Fatiga térmica
La fatiga térmica es un tipo específico de mecanismo de falla por fatiga que es inducida por tensiones cíclicas (expansión y contracción térmica) de fluctuaciones repetitivas en la temperatura (calentamiento y enfriamiento) del equipo. Este tipo de fatiga es muy importante especialmente en ingeniería energética, aeronáutica y automoción.
Tensiones térmicassurgen en los materiales cuando se calientan o enfrían. Las tensiones térmicas afectan el funcionamiento de las instalaciones, tanto por los grandes componentes sometidos a tensiones como porque se ven afectados por la forma en que se opera la planta. Al enfriarse, se producen tensiones de tracción residuales si se evita que el metal se mueva (contraiga) libremente. Las grietas de fatiga pueden iniciarse y crecer a medida que continúa el ciclismo. Las concentraciones de tensión se pueden reducir mediante cambios de diseño apropiados que tengan en cuenta la expansión y contracción térmica. Por ejemplo, los lazos de expansión y los fuelles en los sistemas de tuberías y tuberías a temperaturas elevadas aprovechan este principio. En las plantas de energía nuclear, los límites de la tasa de calentamiento y enfriamiento se basan en el impacto en la vida de fatiga futura de la planta. Los límites de calentamiento y enfriamiento garantizan que la planta ‘ s la vida a la fatiga es igual o mayor que la vida operativa de la planta. Además, las modificaciones del diseño de la planta incluyen, por ejemplo, el calentamiento de los tanques o sumideros de agua del Sistema de enfriamiento del núcleo de emergencia (ECCS) para reducir la diferencia de temperatura entre el agua inyectada y el material de RPV.
En las plantas de energía nuclear , los requisitos fundamentales durante el diseño y la fabricación para evitar fallas por fatiga son diferentes para diferentes casos.
- Presurizador . La presión en el circuito primario de los PWR se mantiene mediante un presurizador , un recipiente separado que está conectado al circuito primario (pierna caliente) y parcialmente lleno de agua que se calienta a la temperatura de saturación (punto de ebullición) para la presión deseada mediante electricidad sumergida. calentadores . Para un presurizador, las variaciones de carga son bastante bajas, pero la frecuencia del ciclo es alta. Por lo tanto, es deseable un acero de alta resistencia a la fatiga y de alta resistencia a la tracción final.
- Recipiente a presión del reactor . El cuerpo de la vasija del reactor está construido de acero al carbono de baja aleación de alta calidad , y todas las superficies que entran en contacto con el refrigerante del reactor están revestidas con un mínimo de aproximadamente 3 a 10 mm de acero inoxidable austenítico.para minimizar la corrosión. Por el contrario, la vasija de presión del reactor y las tuberías están sujetas a grandes variaciones de carga, pero la frecuencia del ciclo es baja; por lo tanto, la alta ductilidad es el requisito principal para el acero. En algunos casos, se utilizan mangas térmicas, como boquillas de pulverización y líneas de compensación, para minimizar las tensiones térmicas. Los límites de la tasa de calentamiento y enfriamiento se basan en el impacto en la vida de fatiga futura de la planta. Los límites de calentamiento y enfriamiento aseguran que la vida de fatiga de la planta sea igual o mayor que la vida operativa de la planta. Además, las modificaciones del diseño de la planta incluyen, por ejemplo, el calentamiento de los tanques o sumideros de agua del Sistema de enfriamiento del núcleo de emergencia (ECCS) para reducir la diferencia de temperatura entre el agua inyectada y el material de RPV.
- Tubería primaria . La mayoría de las fallas por fatiga mecánica en las tuberías son el resultado de vibraciones que no son ocurrencias infrecuentes. Prácticamente todos los sistemas de tuberías que contienen un fluido que fluye presentan algún grado de vibración. La causa de la vibración puede diferir. Las pulsaciones de presión y el movimiento de los equipos giratorios adjuntos se encuentran entre las causas más comunes de vibración en los sistemas de tuberías.
- Generadores de vapor . Los generadores de vapor son intercambiadores de calor que se utilizan para convertir el agua de alimentación en vapor a partir del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear.. Cada generador de vapor puede contener entre 3.000 y 16.000 tubos, cada uno de unos 19 mm de diámetro. Si el suministro de agua de alimentación del generador de vapor falla por cualquier motivo, se deben tomar medidas de emergencia rápidamente y esto se hace mediante un sistema para introducir agua fría en la carcasa del generador de vapor para evitar que el haz de tubos y la placa de tubos se sobrecalienten peligrosamente. Para evitar un choque térmico severo, particularmente en la placa de tubos Si el suministro de agua de alimentación del generador de vapor falla por cualquier motivo, el sistema de agua de alimentación de emergencia inicia su acción e introduce agua fría en el generador de vapor para evitar que el haz de tubos y la placa de tubos se sobrecalienten peligrosamente. . Esto provoca tensiones significativas especialmente en la placa de tubos.
Aunque no se conoce bien la causa principal del fenómeno de rotura por fatiga, aparentemente surge de la formación inicial de una pequeña grieta resultante de un defecto o deslizamiento microscópico en los granos metálicos. La fisura se propaga lentamente al principio y luego más rápidamente cuando aumenta la tensión local debido a una disminución en la sección transversal de carga. Luego, el metal se fractura. Falla por fatigapuede iniciarse por grietas y muescas microscópicas, e incluso por marcas de rectificado y mecanizado en la superficie; por lo tanto, estos defectos deben evitarse en materiales sometidos a tensiones (o deformaciones) cíclicas. Las operaciones de la planta se realizan de manera controlada para mitigar los efectos del estrés cíclico. Las limitaciones de calentamiento y enfriamiento, las limitaciones de presión y las curvas de operación de la bomba se utilizan para minimizar el estrés cíclico.
Referencia especial: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
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