Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 44, Nº 2, Mayo-Agosto, 2021, 83-91
Evaluación
del comportamiento del acero 1,25Cr0,5Mo en
condiciones de fluencia lenta
R.
Fernández-Fuentes1*, A.
Cruz-Crespo1, A. Scotti2, N. Guedes-De Alcãntara3
1Centro de Investigaciones de Soldadura, Facultad
de Ingeniería Mecánica e Industrial, Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas, CP 54 830, Santa Clara, Cuba.
2Universidade Federal de Uberlândia -
UFU, Uberlândia, Brasil.
3Universidade Federal de São Carlos - UFSCar, São Carlos, Brasil.
*Autor de correspondencia: rfernandez@uclv.edu.cu
https://doi.org/10.22209/rt.v44n2a03
Recepción: 05 de agosto
de 2020 | Aceptación: 31 de enero de 2021 | Publicación: 01 de abril de 2021
Resumen
Los estudios
sobre la influencia del tratamiento térmico pos soldadura en la microestructura
y comportamiento mecánico de tuberías de vapor, se han enfocado en la región de
la soldadura (metal fundido y zona afectada por el calor); sin embargo, dicho
proceso tiene un efecto térmico que va más allá de esta región, el cual no ha
sido suficientemente detallado. El presente trabajo tuvo como objetivo evaluar
el efecto del tratamiento térmico sobre la microsetructura
y el comportamiento en fluencia lenta de la región que no es térmicamente
afectada por la soldadura. El material analizado fue tomado de una tubería de
vapor (acero 1,25Cr0,5Mo, 20 años envejecido en
servicio a 480 oC). Una parte de la
tubería fue sometida a tratamiento térmico, con parámetros de acuerdo con el
código ASME de calderas y recipientes a presión. Se obtuvo el tiempo de rotura
en ensayo de fluencia lenta y la microestructura del material envejecido en
servicio, así como del tratado térmicamente. El tratamiento térmico del acero
1,25Cr0,5Mo envejecido en servicio aumentó el tamaño
de los precipitados presentes en el interior de la ferrita y disminuyó la
resistencia a la fluencia lenta.
Palabras claves: Acero 1,25Cr0,5Mo,
tratamiento térmico pos soldadura, resistencia a la fluencia lenta.
Evaluation of 1.25Cr0.5Mo steel behaviour in
creep conditions
Abstract
Studies about the influence of the post weld heat
treatment on microstructures and mechanical behaviors of steam pipelines have
focused on the weld region (fusion and heat-affected zones). However, this
process has a thermal effect that surpasses this region, which has not been
sufficiently detailed. The aim of the present work consisted in evaluating the
effect of the heat treatment on the microstructure and creep behavior in the
region that is not affected by welding thermal cycle. The analyzed material was
taken from a main steam pipe (1.25Cr0.5Mo steel, 20 years in service aged at
480 oC). A piece of the pipeline was
subjected to heat treatment, with parameters according to the ASME boiler and
pressure vessel code. The creep rupture time and the microstructure were
obtained from the in service aged material, as well as from the heat-treated
one. The heat treatment of in service aged 1.25Cr0.5Mo steel increased the
amount of the inside ferrite grain precipitates and reduced the creep
resistance.
Key words: 1.25Cr0.5Mo steel, posweld
heat treatment, creep resistance.
Introducción
El fenómeno de fluencia lenta se pone de manifiesto en un
grupo de componentes industriales sometidos a condiciones de trabajo, que
combinan la acción de carga mecánica y temperatura; como ejemplo se pueden
mencionar, los generadores de vapor y las tuberías destinadas a su conducción.
Para garantizar una explotación segura y duradera de dichos componentes bajo
las mencionadas condiciones de trabajo, se han desarrollado, entre otros, los
aceros ferríticos de baja aleación al Cr-Mo (Robertson, 2014). En estos aceros
la resistencia a la fluencia lenta se logra, básicamente, por la acción de los
mecanismos de endurecimiento por solución sólida y precipitación (Muránsky et al.,
2020).
En el diseño de los referidos componentes, para cada
marca de acero se adopta una tensión admisible que garantice un trabajo seguro durante
al menos 105 h a la temperatura de operación. Sin embargo, los
factores de seguridad aplicados permiten que en la práctica, los componentes
fabricados con aceros ferríticos al Cr-Mo puedan
alcanzar y sobrepasar los 2·105 h explotación (Victoria y Félix, 2007). No obstante,
se dan casos en los que surgen fallas prematuras, incluso antes de las 105
h, asociadas a diferentes fenómenos de degradación (Furtado y Le-May, 2004; Victoria y Félix, 2007).
Cuando dichas fallas ocurren, en casos
técnico-económicamente justificados, se procede a la reparación, retirando la
zona dañada y soldando un inserto de material nuevo. Los códigos que se aplican
para este tipo de reparación, entre los cuales se encuentran los códigos ASME (ASME, 2019) y JIS B8267 (JSA, 2015), contemplan los
requerimientos tecnológicos que garantizan la calidad de la unión soldada apenas
en materiales nuevos. Lo que significa que el procedimiento de reparación se
torne complejo cuando involucra al material envejecido en servicio, porque en
la mayoría de los casos, se desconoce su estado microestructural
y comportamiento mecánico. Tal situación impone la necesidad de conocer el
comportamiento del material sometido a fluencia lenta por tiempos prolongados.
Este problema se complica en aquellos casos en los que se
requiere la aplicación de tratamiento térmico posterior a la soldadura,
notándose discrepancias en la literatura (Parker y Stratford, 1995), en relación a
si el mismo es favorable o no desde el punto de vista de la vida residual. En
tal sentido, se observa que el enfoque fundamental de los correspondientes
estudios ha estado centrado en el efecto del tratamiento térmico sobre la zona afectada
térmicamente (ZAT), a pesar de que el mismo también ejerce influencia térmica
de consideración sobre una región que se extiende más allá de la ZAT.
Con
base en lo planteado anteriormente, el presente trabajo tuvo como objetivo,
evaluar el comportamiento de la microestructura y de la resistencia a la
fluencia lenta del acero 1,25Cr0,5Mo, envejecido en
servicio y sometido a tratamiento térmico similar al que se aplica pos
soldadura.
Materiales y Métodos
Para realizar el estudio se
empleó el material de una sección retirada de una tubería de la línea de salida
de un generador de vapor, que estuvo en el entorno de 20 años en servicio, a la
temperatura de 480 oC. La composición
química del material de la tubería (Tabla 1), determinada mediante
espectrometría de absorción atómica, se corresponde con la del acero tipo
1,25Cr0,5Mo; según la norma ASTM A387 (ASTM, 2011a).
Tabla 1. Composición
química elemental del material de la tubería (% en masa).
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Mo |
W |
Ti |
V |
Fe |
|
0,12 |
0,38 |
0,41 |
<0,03 |
<0,03 |
1,24 |
0,49 |
<0,01 |
<0,01 |
<0,01 |
base |
Una parte de la referida
sección fue sometida a tratamiento térmico en horno mufla, con un régimen
similar al recomendado por el código ASME (ASME, 2019) para
el tratamiento térmico pos soldadura: velocidad de calentamiento de 200 oC/h y permanencia de 1,5 h a la temperatura de
700 oC. De esta manera, se evaluaron dos
condiciones del material:
a. Material envejecido en servicio (MES). Se asocia al
material directamente retirado de la tubería.
b. Material envejecido en servicio y sometido a tratamiento
térmico (MES+TT).
A
partir de ambas condiciones, se aplicaron ensayos de fluencia lenta a carga
constante, en probetas cilíndricas (diámetro 6 mm y longitud útil 36 mm), de
acuerdo con la norma ASTM E-139 (ASTM, 2011d). Cada condición
ensayada fue resultado de la combinación de valores de la tensión y de la temperatura,
de acuerdo con la Tabla 2.
Tabla 2. Combinación de valores de
la tensión y de la temperatura para cada condición del material (MES y MES+TT).
|
Temperatura (oC) |
Tensión (MPa) |
||
|
100 |
125 |
150 |
|
|
550 |
MES MES+TT |
MES |
MES MES+TT |
|
575 |
MES MES+TT |
MES |
MES MES+TT |
|
600 |
MES MES+TT |
MES |
MES MES+TT |
MES: material
envejecido en servicio, MES+TT: material envejecido en servicio y sometido a
tratamiento térmico.
A
partir de los resultados del ensayo de fluencia lenta, se evaluó:
a. El efecto del envejecimiento en servicio sobre el
tiempo de rotura en fluencia lenta, para lo cual se compararon los resultados
de la condición MES, con valores reportados por Demirkol (1999), para el mismo tipo de acero en estado de entrega
con composición química y microestructura compatibles con las del material
estudiado.
b. La influencia del tratamiento térmico sobre el
tiempo de rotura en fluencia lenta, para lo cual se comparó el comportamiento
de las condiciones MES y MES+TT (para combinaciones similares de tensión y
temperatura).
La
preparación de la superficie de las probetas para la adquisición de las
imágenes de la microestructura, de acuerdo con las recomendaciones de la norma ASTM
E-3 (ASTM, 2011b),
consistió en el desbaste con papel esmeril entre 120 y 1000, seguido del pulido
con alúmina de 3 y 1 mm,
aplicándose NITAL al 1 % como reactivo para el ataque químico por inmersión
durante 10 seg, de acuerdo con la norma ASTM E-407 (ASTM, 2011c).
La
observación de la microestructura se realizó en un microscopio electrónico de
barrido (Zeiss EVO MA10), con adquisición de imágenes
digitales de 3072 x 2304 píxeles y resolución de 10 nm/píxel.
Mediante el uso del programa de computación Image J,
se realizó el procesamiento digital de imagen, y de manera automatizada fue
determinado el diámetro equivalente de los precipitados, en función del área
ocupada por cada sección de los mismos en la imagen.
Se
efectuó un análisis comparativo de la distribución de tamaños de precipitados intra-granulares de las condiciones estudiadas, de modo
que, a partir de los tamaños de partículas, se confeccionaron los histogramas
de frecuencias relativas (empleando en todos los casos 15 clases de tamaño
igual a 40 nm) y se determinó la densidad de
partículas en cada intervalo de clase (Smith y Jordan,
1964).
Los
valores experimentales de la densidad de partículas fueron ajustados a un
modelo de densidad de probabilidad tipo log-normal (ecuación 1; Endo, 2009) y se obtuvieron los parámetros de la función (media
geométrica y desviación estándar). Para establecer la calidad del ajuste se empleaó el valor del coeficiente de determinación y la “prueba
F” en el análisis de varianza (Krishnamoorthy
y Mathew, 2003; Sultan y Ahmad,
2013; Martínez et al., 2015).
Donde: Di: diámetro
(mm), Dg:
media geométrica del diámetro (mm), σg:desviación geométrica estándar.
Resultados y Discusión
En la condición MES se
apreció una microestructura predominantemente ferrítica,
acompañada de perlita laminar (Figura 1a); en la ferrita se observaron precipitados
finos intragranulares e intergranulares
(Figura 1b). El acero 1,25Cr0,5Mo cualitativamente presenta este tipo de
microestructura en estado de entrega, cuando es sometido a un recocido,
mientras que, para el caso de un normalizado con revenido, en lugar de perlita,
se forma bainita (Viswanathan,
1995). Una precipitación similar (intragranular
e intergranular) fue observada en el acero 2,25Cr1Mo,
tanto en estado de entrega como expuesto en servicio por un largo período (Yang, 1993). La formación de este tipo de precipitación también
ha sido observada en muestras de esta familia de aceros, sometidos al ensayo de
fluencia lenta (Afrouz et al., 1983).
Figura 1. (a) Microestructura
ferrítico-perlítica de la condición de material
envejecido en servicio (MES), (b) Precipitación en el interior y en los
contornos de grano de la ferrita en la condición de material envejecido en
servicio (MES).
El referido tipo de microestructura
se conserva en la condición del MES+TT, aunque, en esta condición, se apreciaron
precipitados de mayor tamaño en el interior de la ferrita (Figura 2), en
comparación con los observados en la condición MES (Figura 1b). Esta diferencia
se evidencia cuantitativamente en los histogramas de frecuencia relativa de
tamaños de precipitados y las curvas de densidad de partículas (Figuras 3 y 4,
respectivamente).
Figura 2.
Microestructura de la condición de material envejecido en servicio con tratamiento
térmico (MES+TT).
De acuerdo con la Figura
3, con el tratamiento térmico (condición MES+TT) disminuyó considerablemente la
frecuencia relativa de la clase 40-80 nm, mientras
que se incrementa respectivamente en el resto de las clases (para tamaños por
encima de 80 nm). Con relación a la densidad de
partículas, para ambas condiciones se obtuvo un adecuado ajuste al modelo tipo lognormal (coeficiente de determinación de 0,998 y
probabilidad p<0,001 para la
condición MES, y de 0,999 con p<0,001
para la condición MES+TT). En este caso se apreció que el tratamiento térmico modificó
la curva de densidad de probabilidad ajustada (Figura 4), trayendo como
resultado un incremento de la moda (de 88 nm para la
condición MES a 105 nm para la condición MES+TT) y de
la media geométrica (de 101 a 117 nm,
respectivamente).
Figura 3.
Histogramas de frecuencia relativa de tamaños de precipitados de las
condiciones MES (material envejecido en servicio) y MES+TT (material envejecido
en servicio y sometido a tratamiento térmico).
Figura 4. Puntos
experimentales y curvas de densidad de partículas de las condiciones MES (material
envejecido en servicio) y MES+TT (material envejecido en servicio y sometido a trtatamiento térmico).
El efecto que sobre la
distribución del tamaño de precipitados provocó el tratamiento térmico pos
soldadura, se asocia con el hecho de que los precipitados estables de mayor
tamaño crecen a expensas de la disolución de los más pequeños, como resultado
del proceso denominado crecimiento competitivo (Ouden, 2015), reportado para aceros de baja aleación al CrMo (Gustafson y
Hattestrand, 2002), cuya fuerza motríz es la
disminución de la energía libre del sistema provocada por el descenso de la
energía superficial.
La comparación gráfica de los
resultados del ensayo de fluencia lenta para las condiciones MES y MES+TT (Figura
5), indica que, para las mismas combinaciones experimentales de tensión y
temperatura, la condición MES+TT presentó un menor tiempo de rotura con
relación a la condición MES. La reducción del tiempo de rotura observada significa
un efecto desfavorable del tratamiento térmico sobre la resistencia a la
fluencia lenta, lo cual coincide con reportes de la literatura para esta
familia de aceros (Arnswald et al., 1986), a
pesar de que también hay reportes sobre un efecto favorable (Lundin y Wang
1989).
Figura 5. Tiempo
de rotura por fluencia lenta de las condiciones MES (material envejecido en
servicio) y MES+TT (material envejecido en servicio y sometido a tratamiento
térmico), para diferentes combinaciones de tensión y temperatura de ensayo.
Para iguales
combinaciones de tensión (100 y 150 MPa) y
temperatura (550 y 600 oC), en la Figura 6
se muestran los valores experimentales del tiempo de rotura de las condiciones
MES y del MES+TT, así como las líneas de tendencia reportadas por Dermikol (1999) para el acero 1,25Cr0,5Mo en estado de entrega con composición
química y microestructura similares a las determindas
en las muestras bajo estudio en el presente. En este caso, la comparación
gráfica muestra que tanto la condición MES como MES+TT, presentaron menor
tiempo de rotura en comparación con el material en estado de entrega, y por
ende menor resistencia a la fluencia lenta.
Figura 6. Tiempo
de rotura por fluencia lenta de las condiciones experimentales MES (material
envejecido en servicio) y MES+TT (material envejecido en servicio y sometido a
tratamiento térmico) y del material en estado de entrega (Demirkol,
1999).
La evaluación
cuantitativa de la reducción del tiempo de rotura en las diferentes condiciones
se efectuó sobre la base de modelos estadísticos (ecuaciones 2, 3 y 4, para las
condiciones MES, MES+TT y estado de entrega, respectivamente) obtenidos
mediante el análisis de regresión múltiple. Para este análisis, los valores
experimentales se ajustaron a diferentes modelos recomendados en la literatura
para tales fines (Manson y Ensign,
1979). Para cada condición se adoptó aquel modelo en el
que el análisis de varianza mostró valores estadísticamente significativos de
las correspondientes pruebas (p<0,05 para las pruebas F y t, respectivamente) y
mayor coeficiente de determinación múltiple ajustado (R2 ajustado).
Donde: tr: tiempo de rotura (h), S: tensión (MPa), T: temperatura
(K).
De acuerdo con los
modelos ajustados, para la tensión admisible del acero 1,25Cr0,5Mo a la
temperatura de operación (94 MPa a 480 oC, según el código ASME; ASME, 2019), se
obtuvo que el tiempo de rotura de la condición MES+TT representa un 32,2 % del
correspondiente a la condición MES, mientras que el tiempo de rotura de la
condición MES representa un 65 % del correspondiente al material en estado de
entrega, y el tiempo de rotura de la condición MES+TT representa un 20,4 % del
correspondiente al material en estado de entrega. De esta manera, se pone de
manifiesto el efecto perjudicial del tratamiento térmico pos soldadura sobre la
resistencia a la fluencia lenta del acero 1,25Cr0,5Mo
envejecido en servicio, expresado en una reducción del tiempo de rotura de un
67,8 %. Este comportamiento mecánico se corresponde con el comportamiento microestructural, que muestra que el tratamiento térmico provocó
una disminución de la frecuencia relativa de precipitados pequeños, con aumento
de la de los mayores. Ello trae como consecuencia un aumento de la distancia
entre partículas, con detrimento del efecto del incremento de la resistencia
mecánica mediante la precipitación (Abbaschian et al., 2009).
Conclusiones
El acero 1,25Cr0,5Mo con 20 años de operación en
una tubería de vapor, conserva cualitativamente la microestructura del tipo ferrítico-perlítica con precipitados en el interior y los
contornos de grano de ferrita, la cual es típica del estado de entrega
normalizado.
El tratamiento térmico con régimen similar al requerido pos soldadura, no
modifica este tipo de microestructura; sin embargo, como consecuencia del
fenómeno de crecimiento competitivo, el mismo trae como resultado cambios
cuantitativos de la distribución de tamaño de los precipitados presentes en el
interior de la ferrita, expresados por una disminución de la cantidad de
partículas menores que 80 nm y aumento de la cantidad
de partículas mayores.
En el acero 1,25Cr0,5Mo, tanto envejecido en
servicio como sometido a tratamiento térmico con régimen similar al requerido pos
soldadura, la densidad de partículas en el interior de la ferrita obedece a una
función de distribución tipo lognormal,
manifestándose un incremento de 16 % de la media geométrica del diámetro
equivalente por efecto del tratamiento térmico.
El tiempo de rotura en fluencia lenta se ajusta adecuadamente a un modelo
del tipo
El tratamiento térmico del acero 1,25Cr0,5Mo
previamente envejecido en servicio, con parámetros similares al requerido pos
soldadura, reduce en un 67,8 % el tiempo de rotura en fluencia lenta, lo cual
se asocia con el correspondiente incremento del tamaño de los precipitados en
el interior de la ferrita, conducente al detrimento del efecto de incremento de la resistencia mecánica por
precipitación.
Agradecimientos
Este trabajo fue
posible gracias al apoyo brindado por LAPROSOLDA y LDTAD de UFU, DEMa y CCDM de UFSCar y por el
convenio CAPES-Brasil/MES-Cuba.
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