Efecto del tratamiento térmico pos soldadura en el modo de deformación en ensayo de “creep”

Resumen

Se presenta una evaluación del efecto del tratamiento térmico después de la soldadura en el modo de deformación en el ensayo de creep. Muestras de acero 1,25Cr0,5Mo envejecido en servicio y con tratamiento térmico fueron sometidas al ensayo de creep. Según los parámetros de la relación de Monkman y Grant, en el acero 1,25Cr0,5Mo envejecido en servicio la deformación es controlada por el deslizamiento de los contornos de grano. El tratamiento térmico después de la soldadura hace que la deformación sea controlada por la deformación de la matriz.

Abstract:

It is presented an evaluation of heat treatment effect after the welding process, in deformation mode in creep test. 1,25Cr0.5Mo steel specimens aged and with a heat treatment were subjected to a creep test. According with the parameters of Monkman and Grant relationships, in 1.25Cro.5Mo steel aged in service, the deformation is controlled for the slide of grain limits. The heat treatment after welding process caused the deformation control by the matrix deformation.

Introducción

Gran parte de los componentes industriales, en los sectores de generación de energía y de procesamiento de petróleo, están operando hace más de veinte años y sus componentes críticos han sobrepasado el tiempo de vida útil calculado en el proyecto.

En estas industrias, los componentes fabricados con acero Ferrítico de Baja Aleación del tipo CrMo después varios años de servicio y como resultado de las complejas condiciones de trabajo, sufren deterioro metalúrgico y mecánico. Frecuentemente, este deterioro puede implicar en sustitución parcial o total de los componentes.

Los fenómenos asociados al deterioro mecánico y metalúrgico de estos componentes han sido ampliamente estudiados, tanto en materiales directamente expuestos al servicio, como a través de ensayos de envejecimiento acelerado que simulan las condiciones de servicio. Sin embargo, según Shiga y colaboradores [ 1 ], es poca la cantidad de trabajos publicados sobre estudios en esta área visando particularmente la región de la junta soldada, y menos aún de trabajos referentes a la soldadura de reparación.

Por tal motivo, actualmente se despierta el interés para la realización de estudios visando lograr resultados que permitan registrar, caracterizar y comprender, con fundamento científico, los fenómenos que determinan la vida útil de las instalaciones sometidas a condiciones de fluencia. Estudios de esta naturaleza, recientemente han sido ejecutados en Brasil por Silva y Payão [ 2 ], Meneses y Guimarães [ 3 ] y Levi y colaboradores [ 4 ].

Considerando las tendencias actuales por la búsqueda de criterios científicos, en cuanto al desempeño de tuberías de vapor de acero FBA al CrMo reparadas por soldadura después largos períodos de servicio y basado en el interés de la Industria Petroquímica por el asunto, fue desarrollado el presente trabajo buscando definir cuales cambios, del punto de vista del comportamiento mecánico, están asociadas con el tratamiento térmico que es aplicado en la reparación por soldadura de estos componentes.

Materiales y métodos

Fueron utilizadas secciones de 150 mm de largo, retiradas de una tubería perteneciente a la línea de salida de una caldera de vapor. El material de la tubería ( con 300 mm de diámetro y 12 mm de espesor de pared ) corresponde al acero 1,25Cr0,5Mo, clasificado como SA335 Grado P11 por la norma ASTM A387-79b [ 5 ]. Esta línea de vapor estuvo en funcionamiento durante aproximadamente 20 años con temperatura de trabajo de 480 oC.

Una parte de las secciones de la referida tubería fueron sometidas al tratamiento térmico con parámetros análogos a los recomendados para el tratamiento térmico después de la soldadura del acero 1,25Cr0,5Mo. El tratamiento térmico después de la soldadura fue realizado en horno de cámara marca EDG FI-IS/5P con velocidad de calentamiento de 200 oC/h y permanencia durante 1,5 h en la temperatura de 700 oC, el enfriamiento fue en el propio horno.

Así, fueron estudiadas dos condiciones del material:

– Material Envejecido en Servicio ( MES ).

– Material Envejecido en Servicio y Tratado Térmicamente ( MESTT ).

Ambas condiciones del material fueron sometidas al ensayo de fluencia con carga constante, utilizando equipos marca STM ( modelo MF-1000 ) que permiten la ejecución de ensayos de fluencia de acuerdo con la norma ASTM E-139 [ 6 ]. En cada caso, fue seleccionada una matriz de ensayo de manera a garantizar tiempos de rotura entre 10 y 10000 h, con valores mínimos de la tensión nominal y de la temperatura, próximos de las condiciones de servicio de la referida tubería ( 480 oC y 94 MPa ). La matriz del ensayo incluyó tensiones con valores entre 100 y 175 MPa y temperaturas de 525 hasta 625 oC. Fueron utilizados cuerpos de prueba del tipo cilíndrico con diámetro de 6 mm y región útil 36 mm.

En el modelado estadístico se aplicó el análisis de regresión lineal múltiple, después de la transformación logarítmica de los modelos. Mediante el método de los mínimos cuadrados, fueron determinados los coeficientes de los modelos.

La evaluación de los coeficientes obtenidos fue basada en el análisis de varianza. se aplicó la prueba "F" para definir la significación estadística y la falta de ajuste de cada modelo. En este último caso fue creada un estimado externo del error experimental, como es propuesto por Debén y Pereda [ 7 ].

Como error experimental se asumió la estimado conjunto de la variaanza experimental calculada con los resultados de Cintho [ 8 ], que fueron logrados en condiciones análogas a las del presente trabajo con tres réplicas para cada condición de ensayo. Los valores calculados, de acuerdo con Benício de Barros y colaboradores [ 9 ], fueron: 0,021 con 8 grados de libertad para la velocidad de fluencia y 0,006 con 6 grados de libertad para el tiempo de rotura. Del punto de vista predictivo, los modelos fueron evaluados desde los errores en las estimativas con relación a los valores experimentales.

Resultados y discusión

En la tabla 1 es presentado un resumen comparativo entre los valores de los coeficientes de los modelos y los valores publicados por otros autores.

En la mayoría de los trabajos referidos en la tabla 1, se observó un cambio de los valores de los coeficientes n y Q. De acuerdo con la interpretación data por estos autores a los coeficientes n y Q, dos enfoques pueden ser utilizados en la interpretación de los mismos: pueden ser asociados con mecanismos de deformación [ 10, 11 ] o pueden ser asociados con modo de deformación [ 13, 12 ].

Liaw y colaboradores [ 10 ] y Foldyna y colaboradores [ 11 ], lograron valores de Q próximos del valor de la energía de activación de la autodifusión del hierro, quiénes fueron asociados con la tasa de deformación controlada por el mecanismo de deslizamiento de las dislocaciones con escalado de los obstáculos. Valores de Q próximos de 420 KJ/mol fueron asociados con la velocidad de deformación controlada por el mecanismo de Orowan.

Según Collins [ 12 ] y Viswanahathan [ 13 ], valores de Q entre 600 700 KJ/mol y de n entre 9 y 9,5, indican que la velocidad de deformación es controlada por el deslizamiento de los contornos de grano. Valores de Q entre 300 y 400 KJ/mol y de n entre 3 y 4, indican que la velocidad deformación es controlada por la deformación de la matriz.

La diversidad de valores de los coeficientes Q y n encontrada en la literatura, así como, la divergencia de enfoques en su interpretación, dificulta la comparación e interpretación de los coeficientes logrados en las condiciones MES y MESTT. Sin embargo, una correspondencia satisfactoria se observa entre la condición MESTT y los resultados de Parker y Stratford [ 14 ], logrados en un material análogo.

La relación de Monkman y Grant, según Cane [ 15 ], es válida cuando el deslizamiento de los contornos de grano no tiene una contribución significativa en la deformación total y la tasa de deformación es controlada por la deformación de la matriz. De acuerdo con este autor, esta relación es válida cuando la dependencia funcional log(tr) = f [log(min)] sea lineal, con coeficiente B igual a 1; en el caso contrario, la velocidad de deformación es controlada por el deslizamiento de los contornos de grano.

De acuerdo con este punto de vista, fue evaluada la validez de esta relación en las condiciones MS y MESTT, para tanto se utilizó el método de regresión lineal simple con un nivel de significación estadística de 95 % ( tablas 2 y 3 ).

El valor del coeficiente B en la condición MESTT se aproxima a 1 ( B= 0,970,03 ), indicando que en esta condición la relación de Monkman y Grant es válida. Luego, se considera que la velocidad de deformación es controlada por la deformación de la matriz.

Mientras, en la condición MES esta relación no es satisfecha, ya que el valor del coeficiente B difiere significativamente de 1( B=0,75 ± 0,02 ). En este último caso, se considera que la velocidad deformación es controlada por el deslizamiento de los contornos de grano.

Conclusiones

De acuerdo con estos resultados se concluye que el tratamiento térmico después de la soldadura provoca un cambio en el modo de deformación controlador del comportamiento en fluencia. En el acero 1,25Cr0,5Mo envejecido en servicio la deformación es controlada por el deslizamiento de los contornos de grano. El tratamiento térmico después de la soldadura hace que la deformación sea controlada por la deformación de la matriz.

Referencias bibliográficas

1. SHIGA, C. et al. State of the art review on the effect of PWHT on properties of steel weld metal. Welding In The World, v. 37, n. 4, p. 163-176,1996.

2. SILVA, M., PAYÃO, J. Caracterização de juntas soldadas de aços Cr-Mo em tubos novos e envelhecidos em serviço. In: XXII ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DE SOLDA. Anais… Blumenau: Associação Brasileira de Soldagem, 1996. p. 667-677.

3. MENESES, H., GUIMARÃES, S. Análise de vida residual em equipamentos com danos causados por fluência. In: X X I I ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DE SOLDA. Anais… Blumenau: Associação Brasileira de Soldagem, 1996. p. 633-643.

4. LEVI de O., et al. Structural Integrity of a standpipe component in a petrochemical catalytic unit: Part 1 – Assessment of creep rupture properties. Journal of Engineering Materials and Technology. v. 122, n. 7, 2000.

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8. CINTHIO, O. Uma avaliação da aplicação dos conceitos de projeção – è nos dados de fluência a carga constante de um aço ferrítico 1Cr0,5Mo. Dissertação. UFScar, 1995.

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10.LIAW, K., RAO, G., BURKE, M. Creep fracture behaviour of 2,25Cr1Mo welds from a

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12.COLLINS, M. Creep of Low Alloy Steels. In: CREEP STRENGTH IN STEEL AND HIGH TEMPERATURE ALLOYS. Proceedings… The Iron and Steel Institute. July,

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13.VISWANAHATHAN, R. Effect of strees and temperature on the creep and rupture behaviour of a 1,25 pct chromium – 0,5 pct molybdenum steel. Metallurgical Transaction. v. 8 A, p. 877-884, 1977.

14.PARKER, J., STRATFORD, G. Effect of heat treatment on creep and fracture behavior of

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15.Cane, B. A Relationship between deformation and rupture during power law crrep in engineering materials. Materials Science and Engineering. v. 35, p. 229-238, 1978.

16.PARKER, J. AND PARSONS, W. High Temperature deformation and fracture process in

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Autor:

Alfonso R. Fernández Fuentes.

Centro de Investigaciones en Soldadura, Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas.