Comprender la fractura de pernos: Mecanismos y factores

Los pernos son un elemento de fijación muy utilizado. Si un tornillo se rompe ligeramente, hay que pararlo para realizar tareas de mantenimiento. Sin embargo, si se rompe gravemente, puede causar daños en la maquinaria e incluso provocar muertes humanas.

La mera sustitución de un cerrojo roto no elimina por completo el riesgo de que vuelva a romperse. Por lo tanto, es esencial analizar los factores que contribuyen a la rotura del cerrojo y mejorarlos.

Desde una perspectiva individual, los factores que provocan las fracturas de pernos pueden variar mucho. Sin embargo, el examen de un gran número de muestras de fracturas de pernos permite identificar algunas características comunes.

1. Características de fase y análisis de correlación de los factores que influyen en la fractura de pernos

El ciclo de vida de los tornillos puede dividirse en cuatro etapas: diseño, fabricación, uso y mantenimiento, siendo el fallo un posible resultado. Las grietas de interrupción son el tipo de fallo más perjudicial.

Para evitar el fallo por fractura de los pernos, es esencial comprender el conjunto completo y el subconjunto de factores que influyen en la fractura de los pernos en las diferentes etapas de su ciclo de vida.

La Tabla 1 y la Tabla 2 se obtienen tras el análisis estadístico de los factores que influyen en la fractura de 227 pernos.

Cuadro 1 Análisis estadístico de los factores que afectan a la fractura en las muestras de fractura de pernos por etapas

Tabla 2 Análisis de correlación de la fractura de pernos con tres etapas y materiales en las muestras de fractura de pernos

La fractura de un perno puede deberse a un único factor o a una combinación de múltiples factores.

La tabla 2 muestra que 77,5% de las muestras de fracturas de pernos están causadas por factores previos al uso, mientras que 68,7% de las fracturas de pernos están relacionadas con la fabricación.

2. Factores y mecanismos que afectan a la fractura en diferentes etapas de la vida del tornillo

Hay numerosos factores que pueden afectar a la vida útil de los tornillos, entre ellos su susceptibilidad a la fractura.

Sin embargo, debido a las limitaciones de espacio, sólo realizaremos un análisis preliminar de los mecanismos que tienen una alta frecuencia de influencia.

2.1 Factores y mecanismos que afectan a la fractura de los pernos en la fase de diseño

Según la Tabla 3, los principales factores responsables de la fractura de pernos durante la fase de diseño son los siguientes selección de materialesLas fuerzas externas que actúan sobre los pernos, el diseño de la estructura del perno, el diámetro pequeño y la diferencia de temperatura causada por el uso de materiales diferentes. Estos cinco factores representan por sí solos 85 casos, lo que equivale a 82,5% de los 103 casos totales observados en la fase de diseño.

2.1.1 Efecto de la inadecuación selección de materiales sobre la fractura del perno

La selección de materiales es un aspecto crucial del diseño de pernos. La tabla 4 muestra los componentes afectados por una selección inadecuada de materiales en las muestras de fractura de pernos.

La corrosión ambiental y bajo tensión, la resistencia insuficiente o excesiva del material y los procesos de tratamiento térmico inadecuados fueron la causa de 47 de los 58 incidentes, lo que representa el 81,0% de los casos.

Tabla 3 Clasificación y frecuencia de los factores que afectan a la fractura de pernos en la fase de diseño en las muestras de fractura de pernos

(1) Impacto del entorno y de la corrosión bajo tensión en la fractura de los pernos

La corrosión bajo tensión es un fenómeno de fallo que se produce en los materiales cuando están sometidos a una combinación de tensión estática (especialmente de tracción) y corrosión.

Cuando un tornillo está expuesto a tensiones y a un entorno corrosivo, la película de óxido superficial del tornillo puede resultar dañada debido a la corrosión. La superficie dañada se convierte en el ánodo y la superficie no dañada en el cátodo.

Como resultado, la densidad de corriente anódica aumenta drásticamente, provocando una mayor corrosión de la superficie dañada. Bajo la influencia de la tensión de tracción, aparecen gradualmente grietas en la zona dañada, que se expanden progresivamente hasta que el perno falla.

Para evitar la corrosión bajo tensión, es importante elegir materiales con gran resistencia a ella. Por ejemplo, en entornos que contengan agua a alta temperatura con sulfuros, se recomienda utilizar acero inoxidable austenítico al cromo-níquel con bajo contenido en manganeso.

Además, el diseño de la estructura del perno debe optimizarse para reducir la concentración de tensiones.

Mejorar el entorno de corrosión también puede ayudar a prevenir la corrosión bajo tensión. Esto puede hacerse añadiendo inhibidores de la corrosión al medio corrosivo o utilizando una capa protectora metálica o no metálica para aislar el medio corrosivo.

(2) La influencia de un tornillo deficiente rendimiento del material en la fractura del perno.

El rendimiento de los materiales engloba varios indicadores, y el rendimiento deficiente se produce cuando el material de perno seleccionado es incompatible con el entorno de servicio. El uso de materiales por encima de su capacidad técnica puede provocar la rotura del tornillo.

Por ejemplo, el perno de acoplamiento de una unidad de 200 MW se fracturó debido al uso original de acero 35 que no estaba templado ni revenido y que tenía un grano grueso. widmanstatten o estructura en banda. Tras analizar el perno roto, se llegó a la conclusión de que el acero 35 no era apropiado para fabricar el perno de acoplamiento. En su lugar, se utilizó acero 40CrNiMo para mejorar las propiedades mecánicas integrales del material del perno.

Sin embargo, es crucial garantizar la coincidencia de la dureza de los pernos y los materiales de acoplamiento cuando se utiliza acero 40CrNiMo. Al examinar el perno roto, se descubrió que el desgaste por rozamiento del perno con dureza de (260~280) HB causaba daños en el orificio del perno. Por lo tanto, el uso de acero 40CrNiMo para mejorar la dureza del perno para lograr alta resistencia a la fatiga podría tener consecuencias adversas.

En consecuencia, es necesario realizar un ensayo completo de las propiedades mecánicas para obtener la sensibilidad a la entalladura baja, la dureza correspondiente y la resistencia a la fatiga por flexión del perno antes de pasar a su uso.

(3) Repercusión de una resistencia excesiva o insuficiente en la fractura del tornillo

Es fácil comprender que una resistencia insuficiente puede causar la fractura de un tornillo, pero es fácil pasar por alto la relación entre una resistencia excesiva y la fractura de un tornillo.

Los tornillos de alta resistencia no sólo aumentan la sensibilidad a las concentraciones de tensiones en las muescas, sino que también tienen una mayor susceptibilidad a las fragilización por hidrógeno.

Las grietas inducidas por hidrógeno suelen producirse cuando el contenido de hidrógeno en el acero supera las 5 partes por millón (ppm). Sin embargo, en los aceros de alta resistencia, los átomos de hidrógeno de los huecos de la red se concentran por difusión en los puntos de concentración de tensiones generados por las entalladuras, incluso cuando el contenido de hidrógeno en el acero es inferior a 1 ppm.

Estos átomos de hidrógeno interactúan con las dislocaciones, provocando que las líneas de dislocación queden inmovilizadas y no puedan moverse libremente, lo que en última instancia hace que el cuerpo se vuelva frágil.

2.1.2 Factores externos que afectan a la fractura del tornillo

(1) Efecto de las vibraciones en la fractura de los pernos

La respuesta vibratoria del perno de unión está influida principalmente por dos factores: las características modales del perno de unión y la excitación vibratoria transmitida al perno por la pieza de unión.

Tras la rotura del perno de conexión entre una transmisión y una toma de fuerza, se realizó una prueba modal en el perno largo. Los resultados mostraron que, bajo la condición de un par de apriete de 45 N-m, el frecuencia natural del primer modo de flexión era de 1155 Hz, y la relación de amortiguación modal era de 0,67.

Durante la prueba de respuesta a la vibración de la toma de fuerza de la transmisión en condiciones de trabajo del motor, se observó que cuando el sistema de transmisión estaba en funcionamiento, el perno largo era excitado por una vibración significativa con una frecuencia de vibración principal de 1000 a 1500 Hz. La primera frecuencia de flexión del perno largo se encontraba dentro de esta banda de frecuencias, y la relación de amortiguación era muy baja.

Esto provocó un efecto de amplificación de la resonancia, que dio lugar a una importante respuesta de resonancia de flexión del perno y a una elevada tensión dinámica de flexión en la conexión roscada. Como resultado, el perno de conexión se rompió prematuramente.

(2) Impacto de la rigidez insuficiente de las piezas conectadas

Una rigidez insuficiente en las piezas conectadas no sólo genera vibraciones, sino que también provoca tensiones desiguales en los tornillos.

Los pernos de anclaje de un motor diésel marino se rompían con bastante frecuencia. Los resultados del análisis revelaron que el motor principal presentaba grandes vibraciones, sobre todo verticales, causadas por una rigidez deficiente en la base - sentina.

Después de soldar firmemente el bloque de posicionamiento de cuña del soporte de posicionamiento anfitrión, el perno de anclaje ya no se rompió, ya que se había reforzado su rigidez.

Ambos extremos del chapa de acero del armazón del tambor de un polipasto están conectados a la placa de brida con pernos M22. Sin embargo, no hay ningún anillo de soporte de refuerzo ni anillo de revestimiento circunferencial en el interior del tambor, lo que crea una viga simplemente apoyada a lo largo del eje.

Como resultado, la rigidez es escasa y, en condiciones de trabajo, la parte central del armazón del tambor experimenta la mayor deformación, lo que somete al perno de conexión M18 a una fuerza máxima y provoca su rotura. Mientras tanto, los pernos de conexión cerca de la placa de brida en ambos extremos del tambor no se han roto.

2.1.3 Efecto de la estructura del orificio del tornillo en su fractura

El principal factor que contribuye a la fractura de pernos en estructuras de orificios de pernos y tornillos es un filete de transición pequeño. Esto incluye el filete de transición en la raíz de la rosca, la cabeza del tornillo y del perno y el destalonado. Un filete de transición pequeño no sólo genera concentración de tensiones, sino que también conduce a la generación de grandes tensión interna durante el tratamiento térmico, lo que provoca la aparición de microfisuras o tendencias a la fisuración que reducen la capacidad portante del tornillo.

La combinación de cargas externas y tensiones internas hace que el tornillo soporte una carga que supera su límite, lo que provoca su rotura.

Por ejemplo, el perno del cojinete principal del motor diésel de una locomotora DF 7B se rompió debido a este fenómeno.

Tras la modificación, se eliminó el orificio central del perno, lo que supuso un aumento 45% de la superficie de apoyo de la cabeza del perno del cojinete principal y una mejora sustancial de la resistencia de la parte roscada.

Además, la eliminación del orificio interior del tornillo ha eliminado la concentración de tensiones provocada por la estructura de la rosca del orificio interior, lo que se traduce en un aumento de la resistencia a la fatiga del tornillo.

2.2 Factores y mecanismos que afectan a la fractura de los pernos en la fase de fabricación

La calidad del tratamiento térmico, el mecanizado, el tamaño del filete de transición, el ajuste y el ensamblaje, y el proceso de conformado del perno son los principales factores que afectan al riesgo de fractura del perno durante la fase de fabricación.

Hay 141 factores, que representan 89,2% de 158. Véanse los cuadros 5 y 6.

Tabla 5 Clasificación y elementos de los factores que afectan a la fractura del perno en la fase de fabricación

Tabla 6 Clasificación y elementos de los factores que afectan a la fractura del perno por tratamiento térmico

2.2.1 Efecto del tratamiento térmico en la fractura de los pernos

Los principales factores responsables de la fractura de los pernos son el diseño y la calidad del proceso de tratamiento térmico y la fragilización por hidrógeno, descarburizaciónLa mayoría de los factores de riesgo son: sobrecalentamiento local, mala estructura, alta dureza y baja plasticidad. Estos factores representan en conjunto el 82,8% de los 87 casos estudiados.

(1) Efecto del diseño del proceso de tratamiento térmico y de la calidad del proceso en la fractura de los pernos.

Se presenta un ejemplo para demostrar el impacto de los procesos inadecuados de tratamiento térmico en la fractura de los pernos. Cuando el hipoeutectoide templado y revenido acero 42CrMo se utiliza como material del perno, y el tamaño de la sección es grande (por ejemplo, ≥ 500 mm), el logro de la relación de fluencia de 0,9 con el tratamiento tradicional de temple y revenido se convierte en un reto.

Para alcanzar el objetivo, es necesario reducir la temperatura de revenido, es decir, utilizar un revenido a temperatura media o a temperatura inferior. Sin embargo, esto provocaría una disminución de la tenacidad, un aumento de la resistencia y la estructura metalográfica contendría defectos (el segundo tipo de fragilidad del revenido).

Los resultados de las pruebas de un lote de pernos son los siguientes: alta resistencia (σb>1200 MPa), alta dureza (HBS>400), y la estructura metalográfica es troostita templada, lo que apoya plenamente esta observación.

Los estudios realizados a nivel nacional e internacional indican que cuanto mayor es la resistencia del acero, más propenso es a las grietas. Por lo tanto, si la tenacidad es insuficiente cuando σb>1200 MPa, puede producirse fácilmente una fractura frágil de baja tensión.

(2) Efecto de la fragilización por hidrógeno en la fractura de pernos

Los pernos utilizados en entornos corrosivos y que requieren una gran resistencia suelen necesitar un tratamiento anticorrosión.

Sin embargo, algunos procesos anticorrosión, como cromadopuede provocar fragilización por hidrógeno.

La investigación ha demostrado que cuanto mayor sea la resistencia del material, más sensible será a la fragilización por hidrógeno y más rápido se producirán las grietas.

En las microestructuras del acero, la susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno sigue generalmente este orden de mayor a menor: martensita, bainita superior, bainita inferior, sorbita, perlita y austenita. La alta resistencia depende de la estructura metalográfica correspondiente.

La fragilización por hidrógeno puede deberse a hidrógeno interno o externo. El hidrógeno interno se genera durante la fabricación, mientras que el externo penetra durante el uso.

Generalmente, el hidrógeno interno hará que el perno se agriete o fracture antes o después de su uso, mientras que el hidrógeno externo requiere un proceso de acumulación para alcanzar el nivel de daño que hará que el perno se fracture.

Por lo tanto, el perno tarda en fracturarse.

Para evitar las fracturas por fragilización por hidrógeno causadas por la galvanoplastia, se recomienda utilizar revestimientos libres de fragilización por hidrógeno, como los revestimientos de zinc-cromo utilizados habitualmente en industrias como la automovilística y la aeroespacial.

2.2.2 Efecto de la calidad del mecanizado en la fractura del perno

Durante el proceso de fabricación de pernos, pueden formarse defectos como arrugas, pliegues y microfisuras debido a un procesamiento inadecuado. A menudo, estos defectos provocan nuevas grietas o dilataciones en las roscas de los tornillos durante el laminado, el conformado o el tratamiento térmico. En particular, estos defectos tienden a concentrarse en la raíz de las roscas de los pernos.

Bajo tensión o carga cíclica, las microfisuras en la raíz de las roscas de los pernos son susceptibles de concentrar tensiones, lo que puede desencadenar fuentes de fatiga y causar fracturas por fatiga multifuente.

En una unidad de turbina de gas de 350 MW, se observó una veta de mecanizado en la superficie de fractura del tornillo del calentador. Esta veta se encontraba en la unión del tornillo y la cabeza del perno. Además, se encontró una gran picadura de corrosión en la raya, lo que indicaba una corrosión evidente en las grietas antes de que el perno se agrietara.

Otras inspecciones de aspecto revelaron que la superficie de la varilla pulida del perno era rugosa. Esto no sólo se convirtió en una fuente de concentración de tensiones, sino que también propició la corrosión por intersticios y la corrosión bajo tensión.

2.3 Análisis de los factores materiales y de la frecuencia que afectan a la fractura de los pernos

La tabla 7 muestra los factores de influencia y los elementos relacionados con el material que contribuyen a la fractura de los pernos en la muestra de pernos rotos. Incluye 39 elementos relacionados con inclusiones, calidad del material, defectos metalúrgicos y contenido excesivo de elementos químicos, que representan el 86,7% del total de 45 elementos.

Tabla 7 Factores y elementos que afectan a la fractura de pernos por materiales

(1) Influencia de las inclusiones en la fractura del perno

Cuando el magnesio y el calcio de las inclusiones extrañas, así como el azufre, el manganeso, el cromo y otros elementos del material, se segregan hacia el límite del grano, puede producirse una fragilización del límite del grano. Esta fragilización puede producirse en zonas locales, dando lugar a posibles grietas.

Además, si el tamaño de las inclusiones en los pernos es excesivamente grande, especialmente cerca de la capa superficial, puede acelerar el inicio y la propagación de las grietas por fatiga en los pernos.

La distribución en bandas del MnS inclusiones en el acero también puede aumentar su susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrógeno.

(2) Efecto del suministro propiedades del material sobre la fractura del perno

En determinados entornos de servicios, no basta con centrarse únicamente en el resistencia y dureza de los materiales de los tornillos. Deben tenerse muy en cuenta factores como la plasticidad, la tenacidad al impacto, la resistencia a la corrosión, la sensibilidad a la entalla y la diferencia de rendimiento entre la temperatura ambiente y la temperatura de trabajo.

La no conformidad en el rendimiento del material se refiere a una situación en la que el material suministrado no cumple los requisitos de diseño.

Tras la rotura de los pernos del calentador de gas de una unidad de turbina de gas, se descubrió mediante análisis metalográficos y de composición química que los pernos rotos no eran de acero inoxidable del tipo 304 especificado en el diseño. En su lugar, se fundieron después de varios materiales de acero inoxidable se refundieron, y su resistencia a la corrosión era inadecuada, lo que provocó corrosión galvánica entre los pernos y la placa ciega debido a los diferentes potenciales de electrodo al principio.

Aunque los pernos rotos de la brida de la válvula reguladora de presión intermedia de un generador de turbina de vapor superaron las comprobaciones puntuales de resistencia mecánica y tenacidad al impacto a temperatura ambiente, ambos no cumplieron los requisitos en la prueba a la temperatura de funcionamiento de 540 ℃.

(3) Influencia de los defectos metalúrgicos de los materiales en la fractura de los pernos

La presencia de holguras, burbujas, inclusiones de escoria y grietas internas en materiales para tornillos disminuye significativamente la tensión real admisible de los materiales.

El análisis macro y micro de la superficie de fractura de pernos de alta resistencia muestra que, tras iniciarse la fractura en el origen de la grieta, el proceso se expande de forma rápida e inestable hasta romperse. Esto ocurre porque el material contiene numerosos microdefectos, como microfisuras y microporos, que reducen la tensión real admisible y son también un requisito previo para el crecimiento rápido e inestable de la grieta.

La formación de estas microfisuras está relacionada con una desgasificación y escorificación incompletas durante la fundición, así como con una eliminación incompleta durante la forja posterior.

2.4 Análisis de los factores de servicio y de la frecuencia que afectan a la fractura de los pernos

Los principales factores que contribuyen a la fractura de los tornillos durante su uso son la fuerza de apriete previa, la fuerza de apriete desigual, los métodos de apriete inadecuados, los problemas de instalación y otros problemas relacionados.

De los 92 sucesos registrados, estas tres cuestiones fueron responsables de 69 incidentes, lo que representa el 75,0% de los casos, como se muestra en el Cuadro 8.

(1) Efecto de la fuerza de preapriete en la fractura del perno

La estructura de sellado de una conexión de abrazadera es inaccesible debido a las condiciones de alta temperatura y alta presión.

Para apretar el perno de la abrazadera, el operario utiliza una llave especial de aproximadamente 1 metro de longitud hasta que no se puede apretar más. Sin embargo, esto hace que la precarga del perno supere la tensión admisible del perno.

Una vez que la presión de la tubería aumenta, la tensión del perno se incrementa aún más, lo que finalmente provoca la rotura del perno en poco tiempo.

En el caso de un grupo de pernos de biela, si un perno carece de suficiente precarga, se formará una gran holgura entre el muñón de la biela y el casquillo del cojinete.

En el funcionamiento a alta velocidad del cigüeñal, el perno soportará grandes cargas de impacto y momentos de flexión alternativos, lo que provocará fatiga y fracturas. La carga debe transferirse entonces a otro perno, que también se sobrecargará y se fracturará a su vez.

(2) Fuerza de fijación desigual y método de fijación inadecuado

Durante el mantenimiento del compresor, el personal de mantenimiento no utilizó una llave dinamométrica para aplicar a los pernos la fuerza de preapriete diseñada. En su lugar, utilizaron una llave de cabeza maciza y un mazo para aplicar la fuerza, confiando únicamente en su experiencia para estimar la cantidad correcta de presión.

Como resultado, la fuerza de preapriete aplicada a los pernos fue desigual. Los pernos situados en zonas cómodas para el martilleo recibieron mayor fuerza de preapriete, mientras que los situados en zonas menos accesibles recibieron menos fuerza.

Tras analizar la distribución de la fractura de los pernos de la culata del compresor, se comprobó que la mayoría de los pernos situados en el lugar conveniente para el martilleo se habían roto, lo que concuerda con los resultados analíticos.

3. Conclusión

(1) Los objetivos de calidad del ciclo de vida de los productos mecánicos se basan en lograr la calidad del ciclo de vida de todas sus piezas, incluidos los pernos. Un enfoque innovador consiste en establecer el concepto de calidad del ciclo de vida a nivel de pieza e identificar los factores que influyen en la fractura de los pernos.

(2) La calidad del ciclo de vida de los tornillos se ve influida por múltiples etapas y factores. Establecer un conjunto de factores que afectan a la fractura de los tornillos puede ayudar a la planificación general y a la selección de estos factores, logrando así los objetivos de calidad del ciclo de vida de los tornillos.

(3) Es necesario mejorar continuamente el conjunto de factores que influyen en la fractura de los tornillos, así como complementar y revisar los materiales didácticos y los documentos pertinentes para apoyar la práctica del concepto de calidad del ciclo de vida de los tornillos y los productos mecánicos.