Dispositivo para la realización de un ensayo miniatura de punzonado en condiciones de sumersión en una solución líquida.

Dispositivo para la realización de un ensayo miniatura de punzonado,

con alineación de cargas y minimización de los rozamientos, que permite la caracterización mecánica de una probeta (25, 35) sumergida en un líquido y comprende:

- un dispositivo de ensayo (11, 21, 31, 41, 61) que comprende a su vez: la probeta (25, 35) objeto de ensayo situada entre una matriz de opresión (27) y una matriz de apoyo (28); un punzón (26, 66) de cabeza semiesférica; la matriz de opresión (27) que presenta una abertura configurada para servir de guía al punzón (26, 66); la matriz de apoyo (28) que presenta una abertura configurada para permitir la deformación de la probeta (25, 35); y al menos un elemento de apriete;

- un sistema transmisor de esfuerzos (12, 32, 42, 62) que comprende dos tramos (320, 321, 420, 421) configurados para transferir la fuerza generada por la máquina de ensayos a cada uno de los dos extremos del dispositivo de ensayo (11, 21, 31, 41, 61);

- un recipiente (13, 43, 53, 63, 83) configurado para albergar en su interior un líquido en el que sumergir totalmente la probeta (25, 35), que comprende dos aberturas (60) en dos de sus laterales enfrentados configuradas para, durante el ensayo, situar el conjunto dispositivo de ensayo (11, 21, 31, 41, 61) y sistema transmisor de esfuerzos (12, 32, 42, 62) a lo largo del eje comprendido entre las dos aberturas (60);

- un soporte (14, 74) configurado para sustentar el dispositivo de ensayo (11, 21, 31, 41, 61), el sistema transmisor de esfuerzos (12, 32, 42, 62) y el recipiente (13, 43, 53, 63, 83).

DISPOSITIVO PARA LA REALIZACIÓN DE UN ENSAYO MINIATURA DE PUNZONADO EN CONDICIONES DE SUMERSIÓN EN UNA SOLUCIÓN LÍQUIDA

CAMPO DE LA INVENCiÓN

La presente invención pertenece al campo de los dispositivos para la caracterización de las propiedades mecánicas de una muestra sumergida en un líquido y, más concretamente, al de los dispositivos para la caracterización de una muestra en condiciones de corrosión bajo tensión y fragilización inducida por el ambiente.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

En la actualidad, la caracterización de materiales en condiciones de sumersión en un 15 líquido es una práctica de interés, independientemente del tipo de material y del área de aplicación.

Concretamente, los metales son un elemento muy importante a nivel estructural, tanto en ámbitos industriales, energéticos, de edificación o de cualquier otro tipo de obra 20 civil. Dicha importancia es debido a sus numerosas cualidades que los hacen óptimos para la labor que desempeñan, ya sea por su resistencia, rigidez, dureza o tolerancia a las altas temperaturas. Sin embargo, a pesar de poseer excelentes cualidades, los metales son susceptibles a los llamados efectos de corrosión o degradación cuando se encuentran en rontacto con detenninados medios líquidos. Únicamente los metales nobles, romo el oro o el platino, están exentos de estos fenómenos, pero su utilización en obras civiles es inusual ¡x>r su elevado coste e inferiores propiedades mecánicas que el resto de los metales.

Debido a esta variabilidad que sufren la mayoría de los materiales metáliros, es recomendable controlar sus propiedades mecánicas durante su vida de servicio, mediante diversas técnicas e instrumentos que pennitan caracterizar el material en condiciones de sumersión en un líquido de mayor o menor agresividad para el mismo.

Por ejemplo, en numerosas ocasiones se diseñan elementos industriales o estructurales, tales como tuberías, depósitos, pórticos de soporte, etc., los cuales se encuentran sumergidos o en contacto directo con líquidos o disoluciones de diversas Índoles. Son abundantes los casos en que es necesario transportar, contener o tratar elementos líquidos tales como productos vinícolas, grasas animales, efluentes procedentes de la industria cárnica, aceites minerales y vegetales, leche, efluentes líquidos agrícolas, efluentes para estaciones de depuración, lechadas de mortero, etc.

Existen dispositivos para caracterizar materiales sumergidos en dichos líquidos orgánicos (leche, grasas, animales, productos vinícolas, residuos líquidos ...) y estudiar su evolución con el paso del tiempo, previniendo así posibles fallos.

En otras innumerables ocasiones los materiales están en contacto con ambientes corrosivos, tal es el caso de aerogeneradores off-shore, platafonnas petrolíferas, tuberías metálicas enterradas, instalaciones portuarias, industria naval, etc. En estos casos es de vital importancia conocer las propiedades de los materiales constituyentes de estas instalaciones frente al ambiente a que van a estar expuestos, y resulta de gran utilidad poder estudiar su evolución a lo largo del tiempo.

Los efectos de corrosión se pueden presentar de muy diversas maneras; no obstante es la corrosión bajo tensión (CBT) la fonna de corrosión más peligrosa, ya que se suele presentar en elementos de cierta responsabilidad estructural. La CBT es un fenómeno por el cual un sólido, expuesto a la acción de ciertos medios corrosivos, se fractura a valores de tensión muy inferiores a los de diseño. Se presenta como resultado de la acción simultánea de tres factores;

Material susceptible a la corrosión bajo tensión.

Medio ambiente corrosivo para dicho material. Presencia de tensiones debidas a solicitaciones mecánicas.

La CBT es frecuentemente paliada mediante la imposición de sistemas de protección frente a la misma, la técnica más empleada en los sectores energético e industrial es la conocida como protección catódica, mediante la cual se evita la pérdida de material por este fenómeno debido a una pasivación del metal a proteger. El sistema consiste en la interconexión de un ánodo de sacrificio. de un metal menos noble que el que se quiere preservar, y el componente en cuestión que actuará como cátodo, cerrándose el circuito gracias al fluido electrolítico en que se encuentran estos sumergidos. De este modo se genera un flujo de electrones entre cátodo y ánodo que producirá la pasi vación anterionnente citada; generalmente, a modo de estabilización del proceso, se interpone una fuente externa de comente en la conexión entre cátodo y ánodo, el rango de potenciales externos empleados oscila en tomo a I V, en aquellas situaciones en que la estructura o componente a proteger sea de grandes dimensiones (pe. una plataforma petrolífera) se colocarán varios ánodos de sacrificio y fuentes externas de potencial para conseguir W1 proceso homogéneo en toda ella.

Si bien los anteriores sistemas de protección son eficaces frente a la corrosión, generan en el metal a proteger problemas de fragilización por Hidrógeno, lo que implica una importante menna de la resistencia mecánica, este fenómeno se conoce como fragilización inducida por el ambiente (FlA) , o más concretamente fragilización por Hidrógeno ("Hydrogen Embrittlement" -HE) para este caso concreto. El daño producido por este proceso no es detectable en inspecciones rutinarias y puede 2 5 desencadenar mecanismos rápidos de fractura asociados y estrepitosos fallos de componentes y estructuras. Son numerosas las pérdidas ocasionadas como consecuencia de estos procesos, incluyendo rotura de tuberias de transmisión de gas de alta presión~ explosión de calderas, destrucción de centrales eléctricas o refinerías de petróleo.

En vista de lo anterior, se hace necesario caracterizar el comportamiento de los materiales cuando vayan a estar sometidos a cualquiera de las condiciones anteriores. Los ensayos realizados consisten en reproducir en laboratorio las condiciones que se experimentarán en servicio, exponiendo a la probeta de ensayo del material en cuestión al ambiente corrosivo, al mismo tiemJX> que es aplicada una protección frente a la corrosión detenninada (o no según proceda) . Existen diferentes tipos de ensayos para evaluar la resistencia a procesos de CST y FIA de metales y aleaciones. Los ensayos se pueden dividir según la fonna de aplicación de la carga, así como el tipo de probeta utilizada, existiendo una amplia variedad:

Ensayos de tracción uniaxial: el fundamento de esta tipología de ensayos consiste en someter una probeta a carga constante, defonnación constante, o en situación de velocidad de defonnación lenta. Ensayos de flexión: consisten en doblar una probeta utilizando una platilla específica donde encaja la misma evitando que ésta recupere su defonnación elástica. Ensayos con probetas en fonna de "U": las probetas en fonna de "U" son generalmente barras rectangulares que son dobladas 180 grados con un radio de giro predetenninado que permanece defonnado de manera constante durante el ensayo de corrosión. Ensayos con probetas en fonna de "e": las probetas en ronna de "e" son un tipo de probetas muy versátiles para determinar la susceptibilidad al agrietamiento de varios tipos de aJeaciones en una amplia variedad de ronnas. Las probetas en ronna de "e" incrementan su tensión hasta un determinado vaJor, para una posterior aplicación tanto de una carga constante como de una defonnación constante.

Todos estos ensayos están nonnalizados según la nonna estandarizada ISO-7539

(UNE-EN ISO 7539. Corrosión de metales y aleaciones. Ensayos de corrosión bajo tensión) .

En la actualidad existen muchos dispositivos para la realización de ensayos de eBT (anillos de prueba de carga, máquinas de ensayos de velocidad de deformación lenta, máquina de tracción lenta con eje horizontal ...) ; sin embargo, todos estos dispositivos requieren la utilización de probetas de acuerdo a las diversas normativas, cuyo tamaño se cifra a partir de algunos centímetros en cualquiera de sus dimensiones. Esta limitación en el tamaño de las probetas supone un inconveniente ya que, limita y en ocasiones impide la toma de muestras de componentes estructurales en servicio, y por consiguiente su caracterización mecánica durante esta fase. Los programas de vigilancia en estos casos se limitan a las previsiones en la fase de diseño y la sustitución de los componentes periódicamente (con las consiguientes implicaciones económicas) ,

o ya bien la reparación de urgencia cuando una evolución distinta a la esperada haya producido un fallo catastrófico antes de tiempo en algún componente (con implicaciones económicas aún...

l. Dispositivo para la realización de un ensayo miniatura de punzonado, con alineación de cargas y minimización de los rozamientos, configurado para acoplarse a una máquina de ensayos configurada a su vez para ejercer una fuerza sobre el dispositivo, estando el dispositivo caracterizado por que pennite la caracterización mecánica de una probeta (25, 35) sumergida en un líquido y por que comprende:

-un dispositivo de ensayo (11, 21, 31, 41, 6 1) que comprende a su vez: la probeta (25, 35) objeto de ensayo situada entre una matriz de opresión (27) y una matriz de apoyo (28) ; un punzón (26, 66) de cabeza semiesférica configurado para transmitir la fuer3 del ensayo sobre la probeta (25, 35) ; la matriz de opresión (27) que presenta, en el sentido de la fuerL3, una abertura configurada para servir de guía al pWlZón (26, 66) Y que éste entre en contacto con la probeta (25, 35) ; la matriz de apoyo (28) que presenta, en el sentido de la fuerta y alineada con la abertura de la matriz de opresión (27) , una abertura configurada para permitir la deformación de la probeta (25, 35) en el lado opuesto en donde se encuentra el punzón (26, 66) ; y al menos un elemento de apriete configurado para, junto con las matrices (27, 28) , oprimir e inmovilizar la probeta (25, 35) en todo su contorno; siendo el punzón (26, 66) , la matriz de opresión (27) y la matriz de apoyo (28) de un material rigido considerando la fuerza a la que están sometidos;

-un sistema transmisor de esfuer.ós (12, 32, 42, 62) que comprende dos tramos (320, 321, 420, 421) configurados para transferir la fuera generada por la máquina de ensayos a cada uno de los dos extremos del dispositivo de ensayo (1 1, 21, 31, 41 , 61) , de tal fonna que cada extremo del dispositivo de ensayo (11 , 21, 3 1, 41 , 61) está en contacto con un tramo (320, 321, 420, 421) diferente;

-un recipiente (13, 43, 53, 63, 83) configurado para albergar en su interior un líquido en el que sumergir totalmente la probeta (25, 35) , que comprende dos aberturas (60) en dos de sus laterales enfrentados configuradas para, durante el ensayo. situar el conjunto dispositivo de ensayo (11, 21, 31, 41, 61) y sistema transmisor de esfuerzos (12, 32, 42, 62) a lo largo del eje comprendido entre las dos aberturas (60) , de tal fonna que una parte de cada tramo (320, 321 , 420, 421) comprendido en el sistema transmisor de esfuerzos (12, 32, 42, 62) permanece fuera del recipiente (13, 43, 53, 63, 83) , yel dispositivo de ensayo (11, 21, 31, 41, 61) Y la parte restante de cada tramo (320, 321, 420, 421) permanecen en el interior de dicho recipiente (1 3, 43, 53, 63, 83) ;

-un soporte (14, 74) configurado para sustentar el dispositivo de ensayo (11, 21, 31 , 41, 61) , el sistema transmisor de esfuerzos (12, 32, 42, 62) Y el recipiente (13, 43, 53, 63, 83) , de tal fonna que se consigue una alineación de cargas y una colocación idéntica en todos los ensayos.

2. El disIX>sitivo de la reivindicación 1 configurado para realizar el ensayo de miniatura en condiciones de oorrosión bajo tensión o fragilización por hidrógeno, que comprende un circuito eléctrico fonnado por un primer cable metálico (65) correctamente aislado cone1.1ado al punzón (26, 66) Y a una fuente eléctrica (67) y por un sebTUndo cable metálico (68) aislado conectado a dicha fuente eléctrica (67) y a un electrodo (69) sumergido en el líquido, siendo dicho líquido corrosivo, ácido o agresivo, y donde cada tramo (320, 321, 420, 421) comprendido en el sistema transmisor de esfuerzos (12, 32, 42, 62) comprende a su vez en el extremo en contacto con el dispositivo de ensayo (11, 21, 31, 41, 61) , una pieza aislante (70) tal que durante el ensayo cada pieza aislante (70) se sitúa parte en el interior del recipiente (13, 43, 53, 63, 83) y parte en el exterior del recipiente (1 3, 43, 53, 63, 83) , confinando la corriente eléctrica en el interior del dispositivo de ensayo (11, 21, 31, 41, 61) .

3. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende dos elementos de apriete (291 , 292) , de tal fonna que uno de los elementos de apriete (291) se encuentra situado adyacente a la matriz de opresión (27) , y el elemento de apriete restante (292) envuelve el exterior de las matrices (27, 28) , donde el elemento de apriete (291) adyacente a la matriz de opresión (27) presenta una abertura (290) , configurada para pennitir el paso del punzón (26, 66) , en el sentido de la fuerza

generada por la máquina de ensayos, estando dicha abertura alineada con la abertura que presenta la matriz de opresión (27) , y donde el elemento de apriete (292) que envuelve el exterior de las matrices (27, 28) presenta un mayor espesor en la cara interior del extremo opuesto por donde penetra el elemento de apriete (291)

adyacente a la matriz de opresión (27) .

4. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones I a 2 que comprende dos elementos de apriete con un sistema de enganche entre ellos, de tal fonna que uno de los elementos de apriete se encuentra situado adyacente a la matriz de opresión (27) y

el elemento de apriete restante se encuentra situado adyacente a la matriz de apoyo (28) , y donde el elemento de apriete adyacente a la matriz de opresión (27) presenta una abertura en el sentido de la fuerza generada por la máquina de ensayos, estando dicha abertura alineada con la abertura que presenta la matriz de opresión (27) .

5. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde el al menos un elemento de apriete (291, 292) , la matriz de opresión (27) y la matriz de apoyo (28) , presentan una pluraJidad de agujeros (30) configurados para facilitar la inundación de la probeta (25, 35) .

6. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el soporte (14, 74) es modular y comprende: cuatro barras unidas fonnando un paralelogramo (75) Y configuradas para pennitir el anclaje del recipiente (13, 43, 53, 63, 83) al soporte (14, 74) ; Y cuatro barras perpendiculares a las anteriores (76) situadas en los vértices del paralelogramo, y configuradas para pennitir el anclaje del dispositivo a la máquina de

ensayos.

7. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el recipiente (13, 43, 53, 63, 83) es modular y comprende una placa base (55) en fonna de paralelogramo y cuatro placas laterales (56, 57, 58, 59) , estando dichas cinco placas (55, 56, 57, 58, 59) unidas de tal fonna que aseguran la estanqueidad del recipiente (13 , 43 , 53, 63, 83) en cinco de sus direcciones espaciales.

8. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones I a 6, donde el recipiente (13, 43, 53, 63, 83) es modular y comprende una placa base en fonna de paralelogramo, cuatro placas laterales y una placa superior, estando estas seis placas unidas de tal

foOlla que aseguran la estanqueidad del recipiente, y donde el recipiente comprende además en al menos una de sus seis placas, un orificio con una tapa estanca destinada al llenado del recipiente.

9. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las aberturas (60) del recipiente (13, 43, 53, 63, 83) comprenden un elemento polímero con fonna de toroide configurado para pennitir que el sistema transmisor de esfuerzos (12, 32, 42, 62) se deslice correctamente sin que se produzcan esfuerzos y para evitar la pérdida del líquido del interior del recipiente (13, 43, 53, 63, 83) .

10. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde uno de los laterales del recipiente (13, 43, 53, 63, 83) presenta una abertura (54) donde se acopla un grifo tal que pennite vaciar el contenido de dicho recipiente (13, 43, 53, 63, 83) Y facilitar la manipulación del dispositivo de ensayo (11, 21, 31, 41, 61) .