Análisis estructural para refuerzo en viga de pórtico superior de caldera mediante FEM

Estudio técnico orientado a determinar la causa probable de la falla, cuantificar la severidad de la condición térmica y validar la efectividad de un refuerzo mediante placas soldadas.

Este proyecto corresponde a la evaluación estructural de la viga superior del pórtico de eje 3 en la estructura de soportación de una caldera de recuperación, luego de detectarse una grieta que comprometía el ala inferior y parte del alma. El estudio buscó determinar la causa probable de la falla y verificar la efectividad de un refuerzo mediante placas soldadas.

Descripción del problema

La memoria indica que la viga pudo haber estado expuesta a fugas de gases de escape de la caldera cercanas a 520 °C, mientras que en operación normal los pórticos trabajan a temperatura ambiente. Durante una inspección de mantenimiento se detectó una grieta aproximadamente en la zona central de la viga, afectando toda el ala inferior y proyectándose hacia el alma cerca de 88 cm.

Modelo tridimensional de la zona estructural evaluada.

Modelo y refuerzo propuesto

Se desarrolló un modelo 3D del pórtico tanto en condición original como reforzada. El refuerzo considera placas soldadas en la zona crítica para aumentar la rigidez y mejorar la resistencia local de la viga superior.

Modelo con detalle de placas de refuerzo propuestas.

Mallado del modelo FEM para simulación estructural.

Condiciones de análisis

• Cargas muertas asociadas al módulo A de aproximadamente 200 toneladas.
• Carga de revestimiento o aislación térmica tributaria al pórtico.
• Carga de viento equivalente estática.
• Evento térmico puntual por fuga de gas caliente.
• Evaluación comparativa con y sin placas de refuerzo.

Condición de borde y cargas a temperatura ambiente.

Condición de borde con escenario térmico de 300 °C.

Análisis de choque térmico

El estudio incluye una revisión analítica del crecimiento de grieta frente a choque térmico. El diagrama de intensidad de esfuerzo versus profundidad de grieta muestra que la tenacidad crítica puede alcanzarse con profundidades del orden de 10 a 23 mm, dependiendo del caso considerado.

Relación entre intensidad de esfuerzo y profundidad de grieta.

Resultados – pórtico sin refuerzo

Para la condición sin refuerzo, la combinación D+W+T₄₀₀ alcanzó un esfuerzo máximo de 675,4 MPa, con desplazamiento aproximado de 22,7 mm y factor de seguridad de 0,51, evidenciando una condición crítica. Incluso a 300 °C el esfuerzo llegaba a 488,5 MPa con factor de seguridad de 0,71.

Distribución de tensiones en condición ambiente.

Distribución de tensiones en condición térmica severa.

Resumen comparativo de esfuerzos, desplazamientos y factores de seguridad sin refuerzo.

Resultados – pórtico con refuerzo

Con placas de refuerzo, la respuesta mejora: en temperatura ambiente el esfuerzo baja a 35 MPa con factor de seguridad 9,86; en T200 alcanza 235 MPa con factor 1,33; y en T400 llega a 528 MPa con factor de seguridad 0,52. La memoria concluye que el refuerzo mejora la capacidad estructural en operación normal, aunque no elimina el riesgo asociado al choque térmico severo.

Resultados puntuales de tensiones en la zona crítica reforzada.

Conclusión técnica