Rev. T�c. Ing. Univ. Zulia. Vol. 44, N� 2, Mayo-Agosto, 2021, 83-91
Evaluaci�n
del comportamiento del acero 1,25Cr0,5Mo en
condiciones de fluencia lenta
R.
Fern�ndez-Fuentes1*, A.
Cruz-Crespo1, A. Scotti2, N. Guedes-De Alc�ntara3
1Centro de Investigaciones de Soldadura, Facultad
de Ingenier�a Mec�nica e Industrial, Universidad Central �Marta Abreu� de Las
Villas, CP 54 830, Santa Clara, Cuba.
2Universidade Federal de Uberl�ndia -
UFU, Uberl�ndia, Brasil.
3Universidade Federal de S�o Carlos - UFSCar, S�o Carlos, Brasil.
*Autor de correspondencia: rfernandez@uclv.edu.cu
https://doi.org/10.22209/rt.v44n2a03
Recepci�n: 05 de agosto
de 2020 | Aceptaci�n: 31 de enero de 2021 | Publicaci�n: 01 de abril de 2021
Resumen
Los estudios
sobre la influencia del tratamiento t�rmico pos soldadura en la microestructura
y comportamiento mec�nico de tuber�as de vapor, se han enfocado en la regi�n de
la soldadura (metal fundido y zona afectada por el calor); sin embargo, dicho
proceso tiene un efecto t�rmico que va m�s all� de esta regi�n, el cual no ha
sido suficientemente detallado. El presente trabajo tuvo como objetivo evaluar
el efecto del tratamiento t�rmico sobre la microsetructura
y el comportamiento en fluencia lenta de la regi�n que no es t�rmicamente
afectada por la soldadura. El material analizado fue tomado de una tuber�a de
vapor (acero 1,25Cr0,5Mo, 20 a�os envejecido en
servicio a 480 oC). Una parte de la
tuber�a fue sometida a tratamiento t�rmico, con par�metros de acuerdo con el
c�digo ASME de calderas y recipientes a presi�n. Se obtuvo el tiempo de rotura
en ensayo de fluencia lenta y la microestructura del material envejecido en
servicio, as� como del tratado t�rmicamente. El tratamiento t�rmico del acero
1,25Cr0,5Mo envejecido en servicio aument� el tama�o
de los precipitados presentes en el interior de la ferrita y disminuy� la
resistencia a la fluencia lenta.
Palabras claves: Acero 1,25Cr0,5Mo,
tratamiento t�rmico 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.
Introducci�n
El fen�meno de fluencia lenta se pone de manifiesto en un
grupo de componentes industriales sometidos a condiciones de trabajo, que
combinan la acci�n de carga mec�nica y temperatura; como ejemplo se pueden
mencionar, los generadores de vapor y las tuber�as destinadas a su conducci�n.
Para garantizar una explotaci�n segura y duradera de dichos componentes bajo
las mencionadas condiciones de trabajo, se han desarrollado, entre otros, los
aceros ferr�ticos de baja aleaci�n al Cr-Mo (Robertson, 2014). En estos aceros
la resistencia a la fluencia lenta se logra, b�sicamente, por la acci�n de los
mecanismos de endurecimiento por soluci�n s�lida y precipitaci�n (Mur�nsky et al.,
2020).
En el dise�o de los referidos componentes, para cada
marca de acero se adopta una tensi�n admisible que garantice un trabajo seguro durante
al menos 105 h a la temperatura de operaci�n. Sin embargo, los
factores de seguridad aplicados permiten que en la pr�ctica, los componentes
fabricados con aceros ferr�ticos al Cr-Mo puedan
alcanzar y sobrepasar los 2�105 h explotaci�n (Victoria y F�lix, 2007). No obstante,
se dan casos en los que surgen fallas prematuras, incluso antes de las 105
h, asociadas a diferentes fen�menos de degradaci�n (Furtado y Le-May, 2004; Victoria y F�lix, 2007).
Cuando dichas fallas ocurren, en casos
t�cnico-econ�micamente justificados, se procede a la reparaci�n, retirando la
zona da�ada y soldando un inserto de material nuevo. Los c�digos que se aplican
para este tipo de reparaci�n, entre los cuales se encuentran los c�digos ASME (ASME, 2019) y JIS B8267 (JSA, 2015), contemplan los
requerimientos tecnol�gicos que garantizan la calidad de la uni�n soldada apenas
en materiales nuevos. Lo que significa que el procedimiento de reparaci�n se
torne complejo cuando involucra al material envejecido en servicio, porque en
la mayor�a de los casos, se desconoce su estado microestructural
y comportamiento mec�nico. Tal situaci�n 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 aplicaci�n de tratamiento t�rmico posterior a la soldadura,
not�ndose discrepancias en la literatura (Parker y Stratford, 1995), en relaci�n 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 t�rmico sobre la zona afectada
t�rmicamente (ZAT), a pesar de que el mismo tambi�n ejerce influencia t�rmica
de consideraci�n sobre una regi�n que se extiende m�s all� 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 t�rmico similar al que se aplica pos
soldadura.
Materiales y M�todos
Para realizar el estudio se
emple� el material de una secci�n retirada de una tuber�a de la l�nea de salida
de un generador de vapor, que estuvo en el entorno de 20 a�os en servicio, a la
temperatura de 480 oC. La composici�n
qu�mica del material de la tuber�a (Tabla 1), determinada mediante
espectrometr�a de absorci�n at�mica, se corresponde con la del acero tipo
1,25Cr0,5Mo; seg�n la norma ASTM A387 (ASTM, 2011a).
Tabla 1. Composici�n
qu�mica elemental del material de la tuber�a (% 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
secci�n fue sometida a tratamiento t�rmico en horno mufla, con un r�gimen
similar al recomendado por el c�digo ASME (ASME, 2019) para
el tratamiento t�rmico 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 tuber�a.
b. Material envejecido en servicio y sometido a tratamiento
t�rmico (MES+TT).
A
partir de ambas condiciones, se aplicaron ensayos de fluencia lenta a carga
constante, en probetas cil�ndricas (di�metro 6 mm y longitud �til 36 mm), de
acuerdo con la norma ASTM E-139 (ASTM, 2011d). Cada condici�n
ensayada fue resultado de la combinaci�n de valores de la tensi�n y de la temperatura,
de acuerdo con la Tabla 2.
Tabla 2.� Combinaci�n de valores de
la tensi�n y de la temperatura para cada condici�n del material (MES y MES+TT).
|
Temperatura (oC) |
Tensi�n (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 t�rmico.
A
partir de los resultados del ensayo de fluencia lenta, se evalu�:
a. El efecto del envejecimiento en servicio sobre el
tiempo de rotura en fluencia lenta, para lo cual se compararon los resultados
de la condici�n MES, con valores reportados por Demirkol (1999), para el mismo tipo de acero en estado de entrega
con composici�n qu�mica y microestructura compatibles con las del material
estudiado.
b. La influencia del tratamiento t�rmico sobre el
tiempo de rotura en fluencia lenta, para lo cual se compar� el comportamiento
de las condiciones MES y MES+TT (para combinaciones similares de tensi�n y
temperatura).
La
preparaci�n de la superficie de las probetas para la adquisici�n de las
im�genes de la microestructura, de acuerdo con las recomendaciones de la norma ASTM
E-3 (ASTM, 2011b),
consisti� en el desbaste con papel esmeril entre 120 y 1000, seguido del pulido
con al�mina de 3 y 1 mm,
aplic�ndose NITAL al 1 % como reactivo para el ataque qu�mico por inmersi�n
durante 10 seg, de acuerdo con la norma ASTM E-407 (ASTM, 2011c).
La
observaci�n de la microestructura se realiz� en un microscopio electr�nico de
barrido (Zeiss EVO MA10), con adquisici�n de im�genes
digitales de 3072 x 2304 p�xeles y resoluci�n de 10 nm/p�xel.
Mediante el uso del programa de computaci�n Image J,
se realiz� el procesamiento digital de imagen, y de manera automatizada fue
determinado el di�metro equivalente de los precipitados, en funci�n del �rea
ocupada por cada secci�n de los mismos en la imagen.
Se
efectu� un an�lisis comparativo de la distribuci�n de tama�os de precipitados intra-granulares de las condiciones estudiadas, de modo
que, a partir de los tama�os de part�culas, se confeccionaron los histogramas
de frecuencias relativas (empleando en todos los casos 15 clases de tama�o
igual a 40 nm) y se determin� la densidad de
part�culas en cada intervalo de clase (Smith y Jordan,
1964).
Los
valores experimentales de la densidad de part�culas fueron ajustados a un
modelo de densidad de probabilidad tipo log-normal (ecuaci�n 1; Endo, 2009) y se obtuvieron los par�metros de la funci�n (media
geom�trica y desviaci�n est�ndar). Para establecer la calidad del ajuste se emplea� el valor del coeficiente de determinaci�n y la �prueba
F� en el an�lisis de varianza (Krishnamoorthy
y Mathew, 2003; Sultan y Ahmad,
2013; Mart�nez et al., 2015).
Donde: Di: di�metro
(mm), Dg:
media geom�trica del di�metro (mm), σg:desviaci�n geom�trica est�ndar.
Resultados y Discusi�n
En la condici�n MES se
apreci� una microestructura predominantemente ferr�tica,
acompa�ada 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 precipitaci�n similar (intragranular
e intergranular) fue observada en el acero 2,25Cr1Mo,
tanto en estado de entrega como expuesto en servicio por un largo per�odo (Yang, 1993). La formaci�n de este tipo de precipitaci�n tambi�n
ha sido observada en muestras de esta familia de aceros, sometidos al ensayo de
fluencia lenta (Afrouz et al., 1983).
Figura 1. (a) Microestructura
ferr�tico-perl�tica de la condici�n de material
envejecido en servicio (MES), (b) Precipitaci�n en el interior y en los
contornos de grano de la ferrita en la condici�n de material envejecido en
servicio (MES).
El referido tipo de microestructura
se conserva en la condici�n del MES+TT, aunque, en esta condici�n, se apreciaron
precipitados de mayor tama�o en el interior de la ferrita (Figura 2), en
comparaci�n con los observados en la condici�n MES (Figura 1b). Esta diferencia
se evidencia cuantitativamente en los histogramas de frecuencia relativa de
tama�os de precipitados y las curvas de densidad de part�culas (Figuras 3 y 4,
respectivamente).
Figura 2.
Microestructura de la condici�n de material envejecido en servicio con tratamiento
t�rmico (MES+TT).
De acuerdo con la Figura
3, con el tratamiento t�rmico (condici�n MES+TT) disminuy� considerablemente la
frecuencia relativa de la clase 40-80 nm, mientras
que se incrementa respectivamente en el resto de las clases (para tama�os por
encima de 80 nm). Con relaci�n a la densidad de
part�culas, para ambas condiciones se obtuvo un adecuado ajuste al modelo tipo lognormal (coeficiente de determinaci�n de 0,998 y
probabilidad p<0,001 para la
condici�n MES, y de 0,999 con p<0,001
para la condici�n MES+TT). En este caso se apreci� que el tratamiento t�rmico modific�
la curva de densidad de probabilidad ajustada (Figura 4), trayendo como
resultado un incremento de la moda (de 88 nm para la
condici�n MES a 105 nm para la condici�n MES+TT) y de
la media geom�trica (de 101 a 117 nm,
respectivamente).
Figura 3.
Histogramas de frecuencia relativa de tama�os de precipitados de las
condiciones MES (material envejecido en servicio) y MES+TT (material envejecido
en servicio y sometido a tratamiento t�rmico).
Figura 4. Puntos
experimentales y curvas de densidad de part�culas de las condiciones MES (material
envejecido en servicio) y MES+TT (material envejecido en servicio y sometido a trtatamiento t�rmico).
El efecto que sobre la
distribuci�n del tama�o de precipitados provoc� el tratamiento t�rmico pos
soldadura, se asocia con el hecho de que los precipitados estables de mayor
tama�o crecen a expensas de la disoluci�n de los m�s peque�os, como resultado
del proceso denominado crecimiento competitivo (Ouden, 2015), reportado para aceros de baja aleaci�n al CrMo (Gustafson y
Hattestrand, 2002), cuya fuerza motr�z es la
disminuci�n de la energ�a libre del sistema provocada por el descenso de la
energ�a superficial.
La comparaci�n gr�fica 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 tensi�n y
temperatura, la condici�n MES+TT present� un menor tiempo de rotura con
relaci�n a la condici�n MES. La reducci�n del tiempo de rotura observada significa
un efecto desfavorable del tratamiento t�rmico 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 tambi�n 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
t�rmico), para diferentes combinaciones de tensi�n y temperatura de ensayo.
Para iguales
combinaciones de tensi�n (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, as� como las l�neas de tendencia reportadas por Dermikol (1999) para el acero 1,25Cr0,5Mo en estado de entrega con composici�n
qu�mica y microestructura similares a las determindas
en las muestras bajo estudio en el presente. En este caso, la comparaci�n
gr�fica muestra que tanto la condici�n MES como MES+TT, presentaron menor
tiempo de rotura en comparaci�n 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 t�rmico) y del material en estado de entrega (Demirkol,
1999).
La evaluaci�n
cuantitativa de la reducci�n del tiempo de rotura en las diferentes condiciones
se efectu� sobre la base de modelos estad�sticos (ecuaciones 2, 3 y 4, para las
condiciones MES, MES+TT y estado de entrega, respectivamente) obtenidos
mediante el an�lisis de regresi�n m�ltiple. Para este an�lisis, los valores
experimentales se ajustaron a diferentes modelos recomendados en la literatura
para tales fines (Manson y Ensign,
1979). Para cada condici�n se adopt� aquel modelo en el
que el an�lisis de varianza mostr� valores estad�sticamente significativos de
las correspondientes pruebas (p<0,05 para las pruebas F y t, respectivamente) y
mayor coeficiente de determinaci�n m�ltiple ajustado (R2 ajustado).
Donde: tr: tiempo de rotura (h), S: tensi�n (MPa), T: temperatura
(K).
De acuerdo con los
modelos ajustados, para la tensi�n admisible del acero 1,25Cr0,5Mo a la
temperatura de operaci�n (94 MPa a 480 oC, seg�n el c�digo ASME; ASME, 2019), se
obtuvo que el tiempo de rotura de la condici�n MES+TT representa un 32,2 % del
correspondiente a la condici�n MES, mientras que el tiempo de rotura de la
condici�n MES representa un 65 % del correspondiente al material en estado de
entrega, y el tiempo de rotura de la condici�n 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 t�rmico pos soldadura sobre la
resistencia a la fluencia lenta del acero 1,25Cr0,5Mo
envejecido en servicio, expresado en una reducci�n del tiempo de rotura de un
67,8 %. Este comportamiento mec�nico se corresponde con el comportamiento microestructural, que muestra que el tratamiento t�rmico provoc�
una disminuci�n de la frecuencia relativa de precipitados peque�os, con aumento
de la de los mayores. Ello trae como consecuencia un aumento de la distancia
entre part�culas, con detrimento del efecto del incremento de la resistencia
mec�nica mediante la precipitaci�n (Abbaschian et al., 2009).
Conclusiones
El acero 1,25Cr0,5Mo con 20 a�os de operaci�n en
una tuber�a de vapor, conserva cualitativamente la microestructura del tipo ferr�tico-perl�tica con precipitados en el interior y los
contornos de grano de ferrita, la cual es t�pica del estado de entrega
normalizado.
El tratamiento t�rmico con r�gimen similar al requerido pos soldadura, no
modifica este tipo de microestructura; sin embargo, como consecuencia del
fen�meno de crecimiento competitivo, el mismo trae como resultado cambios
cuantitativos de la distribuci�n de tama�o de los precipitados presentes en el
interior de la ferrita, expresados por una disminuci�n de la cantidad de
part�culas menores que 80 nm y aumento de la cantidad
de part�culas mayores.
En el acero 1,25Cr0,5Mo, tanto envejecido en
servicio como sometido a tratamiento t�rmico con r�gimen similar al requerido pos
soldadura, la densidad de part�culas en el interior de la ferrita obedece a una
funci�n de distribuci�n tipo lognormal,
manifest�ndose un incremento de 16 % de la media geom�trica del di�metro
equivalente por efecto del tratamiento t�rmico.
El tiempo de rotura en fluencia lenta se ajusta adecuadamente a un modelo
del tipo
El tratamiento t�rmico del acero 1,25Cr0,5Mo
previamente envejecido en servicio, con par�metros 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 tama�o de los precipitados en
el interior de la ferrita, conducente al detrimento del efecto de incremento de la resistencia mec�nica por
precipitaci�n.
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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