Título: Aceros utilizados en componentes críticos de calderas de vapor de centrales térmicas y bioeléctricas cubanas. Vida útil Autor: Sttefan Kalet Artiles Simon Tutores: Dr. Alejandro Baldomero Duffus Scott Dr. Alfonso Rafael Fernández Fuentes , Diciembre, 2023 Title: Steels used in critical components of steam boilers of Cuban Thermal and Bioelectric Power Plants. Useful life Tutors: Dr. Alejandro Baldomero Duffus Scott Author: Sttefan Kalet Artiles Simon Dr. Rafael Fernández Fuentes , December, 2023 Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419 ACTA DE CONFORMIDAD PARA ESTUDIANTES DE PREGRADO Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas Por una parte: Sttefan Kalet Artiles Simon, estudiante de la carrera de: Ingeniería Mecánica en la facultad de: Ingeniería Mecánica e Industrial, en lo adelante El ESTUDIANTE. Con número de identidad permanente: 00051870505 o pasaporte: _____________. Y por otra parte Lorenzo Perdomo González Jefe del Departamento Docente de: Centro de Investigaciones de Soldadura en la ya mencionada facultad, en lo adelante EL JEFE DE DEPARTAMENTO, y Alejandro Duffus Scott y Rafael Fernández Fuentes profesor(es) encargado(s) de tutorar el Trabajo de Diploma DEL ESTUDIANTE, en lo adelante EL TUTOR. Reconocen que: I. A EL ESTUDIANTE se le ha aprobado como tema de investigación para su Trabajo de Diploma el titulado: Caracterización microestructural de un acero de una tubería de vapor de una central bioeléctrica. II. EL ESTUDIANTE no divulgará información concerniente a la investigación, tanto durante el desarrollo como tras la culminación de esta sin la debida autorización DEL TUTOR o EL JEFE DE DEPARTAMENTO. III. Que el Trabajo de Diploma fruto de la labor investigativa de EL ESTUDIANTE y la asesoría de EL TUTOR, resulta de TITULARIDAD EXCLUSIVA de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas. IV. El ESTUDIANTE una vez aprobada su tesis para la defensa, depositará una copia electrónica de la misma en el Repositorio Digital Institucional de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. V. A partir de la defensa y aprobación del Trabajo de Diploma, la publicación total, parcial o la elaboración de cualquier obra que se derive de esta investigación por parte de EL ESTUDIANTE, contará con la coautoría de EL TUTOR y viceversa, resultando de referenc ia obligada esta obra en cualquier otra que se elabore. El incumplimiento de esta cláusula, puede llevar consigo el inicio de procesos de plagio. Todo lo anterior de acuerdo a la normativa de Derecho de Autor vigente en Cuba. Y para que así conste se firma la presente en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, a los 8 días del mes de diciembre del año 2023. __________________ EL ESTUDIANTE __________________ JEFE DE DEPARTAMENTO __________________ TUTOR __________________ TUTOR Pensamiento …Es tan notable la constitución de nuestra naturaleza que terminas aprendiendo mucho más de los obstáculos que de la complacencia, esto no quiere decir que recomiendo el camino difícil, quiere decir que se puede caer y volverse a levantar y siempre vale la pena volver a empezar una y mil veces mientras uno esté vivo. Ese es el mensaje más grande de la vida… José (Pepe) Mujica. Dedicatoria A mis queridos padres, cuyas enseñanzas y amor infinito han sido la luz que ha guiado mi travesía académica. Agradezco a mis leales amigos por su inquebrantable apoyo y risas compartidas; su amistad ha sido un pilar fundamental. A mi amada esposa, mi roca y fuente constante de inspiración, agradezco por su paciencia interminable y por ser mi motivación diaria. Juntos hemos superado desafíos y celebrado triunfos, y esta tesis es un testimonio de nuestro viaje compartido. En cada palabra plasmada, reconozco la gracia de Dios, quien ha sido mi guía constante. A Él le agradezco por la sabiduría otorgada, por cada obstáculo superado y por la fe que ha fortalecido mi camino. Que esta tesis sea más que un logro académico; que sea un reflejo de la dedicación, el amor y la fe que han tejido las páginas de mi vida. A todos quienes han sido parte de este viaje, ¡gracias por compartir este hito conmigo! Agradecimiento A mis amados padres, cuyo amor y aliento han sido mi faro en esta travesía académica. Agradezco a mis amigos por las risas compartidas y a aquellos que confiaron en mi potencial. Un agradecimiento especial a mi increíble esposa, mi compañera de vida, por su paciencia y apoyo inquebrantable. En cada página de esta tesis, veo reflejada la gracia de Dios que iluminó mi camino y me dio fuerzas para superar desafíos. A Él le doy gracias por la sabiduría concedida y por guiarme en este viaje intelectual. Que este logro sea un tributo a la fe, el esfuerzo y el amor que ha tejido cada capítulo de mi vida. ¡A celebrar juntos este hito! Resumen En el presente trabajo se aborda los aceros utilizados en componentes críticos de calderas de vapor de centrales térmicas y bioeléctricas cubanas, así como su vida útil. Se describen los componentes críticos y las zonas críticas de las calderas de vapor. Se conceptualiza las principales centrales térmicas. Se brinda un conjunto de tablas con la composición química y propiedades mecánicas de varios aceros y su empleo para los diferentes elementos críticos utilizados en la fabricación de calderas de vapor de altos parámetros. Los aceros 1Cr-0,5Mo, 1,25Cr-1Mo, 2,25 Cr-1Mo, 9Cr-1Mo y 1Cr-0,3Mo-0,3V, son los más utilizados en centrales térmica y bioeléctrias de altos parámetros. Se realizó un Estudio del fenómeno de Creep mediante ensayo no destructivo, utilizando replica. La estimación de la vida útil de algunos de los aceros seleccionados, se evaluó mediante la relación de Larson-Miller (LM =T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 ). Los resultados obtenidos de estas estimaciones están en correspondencia con otros autores. Abstract This work addresses the steels used in critical components of steam boilers of Cuban thermal and bioelectric plants, as well as their useful life. The critical components and critical zones of steam boilers are described. The main thermal power plants are conceptualized. A set of tables is provided with the chemical composition and mechanical properties of various steels and their use for the different critical elements used in the manufacture of high-parameter steam boilers. The steels 1Cr-0.5Mo, 1.25Cr-1Mo, 2.25 Cr-1Mo, 9Cr-1Mo and 1Cr-0.3Mo-0.3V are the most used in high-parameter thermal and bioelectric power plants. A study of the Creep phenomenon was carried out through non- destructive testing, using replicas. The estimation of the useful life of some of the selected steels was evaluated using the Larson-Miller relationship. . (LM =T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 ). The results obtained from these estimates are in correspondence with other authors. Índice Introducción .....................................................................................................................1 Problema ingenieril: ....................................................................................................2 Hipótesis: ......................................................................................................................2 Objetivos específicos ..................................................................................................2 Tareas:...........................................................................................................................3 Capítulo 1: Marco Teórico ..............................................................................................4 1.1. Introducción ..........................................................................................................4 1.2 Componentes críticos y zonas críticas de las calderas de vapor ...................4 1.3. Centrales térmicas................................................................................................7 CTV Básica ...................................................................................................................9 1.4. Aceros utilizados para la construcción de calderas de vapor según Código ASME ........................................................................................................................... 12 CAPITULO 2: INTRODUCCIÓN AL CREEP Y VIDA ÚTIL ........................................... 19 2.1 Introducción ......................................................................................................... 19 2.2 Introducción al estudio del “creep” .................................................................. 19 2.3 Estudio del fenómeno de Creep mediante ensayo no destructivo ............... 23 2.3.1 Diferentes tipos de réplicas metalográficas mediante microscopía, su utilidad y como elegir el tipo adecuado para la muestra a analizar: ................... 27 2.4 Parámetro de Larson-Miller ........................................................................... 30 2.4.1 Definición y Fundamentos: .......................................................................... 30 2.4.2. Aplicaciones Industriales: .......................................................................... 32 2.4.3. Factores de Influencia: ................................................................................ 35 2.4.4. Relación con la Vida Útil del Material: ....................................................... 37 2.4.5. Comparación con Otros Métodos: ............................................................. 38 2.5 Estudio de casos ............................................................................................ 41 Casos 1-6: Dureza Vickers .................................................................................... 41 Casos 7-10: Tensión ............................................................................................... 46 Caso 11: Fallo en tubería de sobrecalentador de una caldera acuotubular ... 48 Conclusiones Generales............................................................................................... 50 Recomendaciones ......................................................................................................... 51 Anexos ............................................................................................................................ 54 1 Introducción La calidad de vida y la disponibilidad de la energía están muy relacionadas en la sociedad actual. Esto ha motivado una creciente preocupación por el consumo y la generación de la misma. En los años 70 hubo un gran número de países que informaron de la creciente necesidad energética y de la importante disminución en las reservas de los combustibles fósiles, los cuales son la principal fuente de energía del planeta (Rubio-González, Rubio, 2018). Estos problemas se intensificaron en los años 90 debido a la concienciación de la población con el cambio climático y, en la última década, debido al importante crecimiento económico de países emergentes como China o India. Por otra parte, en el territorio nacional, las mayorías de las centrales térmicas Existen diferentes alternativas a estos combustibles fósiles. Una alternativa está en las energías renovables. Sin embargo, presentan una importante desventaja, su falta de viabilidad económica producida por unas tecnologías que están aún en vías de desarrollo. La otra alternativa se encuentra en la energía nuclear, pero sus apoyos descienden debido a los accidentes nucleares que han sucedido en los últimos tiempos como es el caso del ocurrido a raíz de un terremoto de magnitud 9 (escala Richter) en la central de Fukushima (Japón) el 11 de marzo de 2011 y de magnitud 7 (la máxima) en la escala internacional de accidente nucleares (en inglés, International Nuclear Event Scale, INES). Teniendo en cuenta los motivos expuestos, los combustibles fósiles seguirán siendo claves para el desarrollo energético y, en consecuencia, de nuestra sociedad, al menos en un futuro próximo. En el país se ha aprobado un programa para el incremento de la generación eléctrica a partir de biomasa, que contempla la instalación en la industria azucarera de generadores de vapor de altos parámetros (Bioeléctricas) y el empleo de los RAC (residuos agrícolas cañeros) como uno de los combustibles. 2 Ante las situaciones mencionadas, existe la necesidad de desarrollar una guía para elegir aceros utilizados en componentes críticos de calderas, según la norma ASME (2004). Dada las situaciones del estado técnico de las centrales térmicas de Cuba y el funcionamiento de la primera bioeléctrica cubana trabajando con RAC, se hace necesario investigar los aceros en estas plantas, así como la estimación de sus vidas útiles. Problema ingenieril: Los componentes críticos de calderas de vapor de altos parámetros de las centrales térmicas de Cuba, están muy deteriorados y el montaje de centrales bioeléctricas, basadas en la combustión de biomasa, ambas instalaciones trabajan en condiciones de altos parámetros de temperatura y presión, las mismas requieren de una adecuada selección de aceros termoresistentes y de la estimación de sus vidas útiles. Hipótesis: Es posible establecer criterios de selección de los aceros termoresistentes utilizados en los componentes críticos de calderas de vapor de centrales térmicas y bioeléctricas de altos parámetros, así como estimación de sus vidas útiles Objetivo generalꓽ Establecer criterios de selección de los aceros termoresistentes utilizados en los componentes críticos de calderas de vapor de centrales térmicas y bioeléctricas de altos parámetros, así como estimación de sus vidas útiles. Objetivos específicos 1. Establecer criterios de selección de los aceros termoresistentes utilizados en los componentes críticos de calderas de vapor de centrales térmicas y bioeléctricas de altos parámetros. 2. Estimar la vida útil de los principales aceros termoresistentes utilizados en los componentes críticos de calderas de vapor de centrales térmicas y bioeléctricas de altos parámetros. 3 Tareas: 1. Revisión bibliográfica acerca de aceros utilizados para la construcción de calderas de vapor, fenómenos de creep y vida remanente de componentes críticos de calderas de vapor para la fundamentación teórica del trabajo de diploma. 2. Confección de tablas de diferentes de tipos de aceros para calderas de vapor. 3. Adquisición de conocimiento sobre las características de las calderas de vapor, teniendo en cuenta fundamentalmente: los tipos de calderas, los componentes que las constituyen, e identificar los componentes críticos con sus correspondientes zonas críticas. 4. Clasificación de las centrales térmicas. 5. Estudio de casos de estimación de vida útil. 6. Escritura del informe de trabajo de diploma 4 Capítulo 1: Marco Teórico 1.1. Introducción En el presente capítulo se abordan aspectos fundamentales relacionados con los componentes y zonas críticas de la caldera de vapor, las centrales térmicas, así como los aceros utilizados para la construcción de calderas de vapor según el Código ASME y reconocidos especialistas en este campo. 1.2 Componentes críticos y zonas críticas de las calderas de vapor Actualmente, las calderas de vapor son instalaciones fundamentales que se utilizan en muchos procesos productivos que están asociados con la industria energética, azucarera, textil, alimenticia y con el sector de la salud. A través de los años, en dependencia de las exigencias de los procesos productivos, se han desarrollado diferentes tipos de calderas de vapor, las cuales de acuerdo con The Babcock and Wilcox Company (2005) se clasifican en: • Acuotubulares y pirotubulares, en función de la posición relativa de los gases calientes y del agua; • Verticales, horizontales e inclinadas, según la posición de los tubos en su interior; • De tubos rectos y de tubos curvados, de acuerdo a la forma de los tubos; • Fijas, portátiles, locomóviles y marinas, por la naturaleza del servicio que desempeñan. La figura 1.1 muestra una caldera acuotubular, por el interior de los tubos circula agua o vapor mientras que los gases calientes de la combustión se encuentran en contacto con la superficie externa de aquellos. Esta caldera se emplea por lo general cuando se requieren presiones superiores a 1 MPa y capacidades de más de 6 804 kg/h de vapor, inclusive suelen alcanzar presiones de trabajo hasta de 34 MPa en las centrales termoeléctricas según lo reporta Viswanathan (1993, 2004). 5 Figura 1.1 Caldera acuotubular. ( Maza,2011) Entre los componentes que conforman a las calderas de vapor del tipo acuotubular o pirotubular se distinguen los componentes críticos, que de acuerdo a Viswanathan (2004), Maia y Vianna (1995), Hovinga y Nakoneczny (2000), Nakoneczny (1995) y a los reportes sobre incidentes proporcionados por el National Board Bulletin (1985), son aquellos que provocan principalmente las siguientes consecuencias: • Comprometen el proceso productivo por permanecer la caldera parada por largo período; • Colocan en riesgo la vida del personal o provocan un efecto social perjudicial; • Generan tiempos y costos elevados de mantenimiento. Por los tres criterios mencionados y tomando en cuenta también el incremento de incidentes de las calderas de vapor con varios años en servicio reportados por Holbrook y King (1996) y Eyckmans y col (2000), se establece que los componentes críticos de las calderas de vapor son el domo, los colectores o cabezales, los tubos, el economizador, el tubo de fuego, y la carcasa o cubierta (figura 1.2). 6 Figura 1.2. Caldera acuotubular, componentes críticos. (Ibarra Hernández et al., 2011). Dentro de los componentes críticos de una caldera de vapor en explotación, por lo que reportan Nakoneczny y col [14, 20, 21], King [22-24] y Hendrix y col [25, 26] en su trabajos sobre la valoración de la vida de los componentes de las calderas, del estudio realizado por Dooley y col [27] acerca de las fallas en tuberías, del artículo de Alba y Murr [28] referente a la relación de la estructura con las fallas de los tubos y del análisis que realiza Tuurna y col [29] con respecto a la valoración de vida de los tubos de las calderas, existen áreas susceptibles en las que se presentan con mayor frecuencia e incidencia modificaciones en las propiedades mecánicas originales del material de construcción del componente, las cuales son consideradas como zonas críticas. Estas zonas críticas son: las uniones soldadas, la sección o pared del componente, los dobleces, los cambios de dirección (codos y tees), los orificios para el ensamble de accesorios de los componentes y que actúan como concentradores de tensiones, los cambios de sección, las regiones de alta temperatura y los ligamentos. 7 1.3. Centrales térmicas Las centrales térmicas son instalaciones que transforman energía térmica en energía eléctrica por medio de una serie de transformaciones energéticas. La energía térmica obtenida se la transfiere a un fluido de trabajo (agua, aire, fluido orgánico, etc.) que será usado para producir energía mecánica en un dispositivo adecuado (turbina). Como el eje de la turbina está solidario a un generador, se transformará la energía mecánica en energía eléctrica. La energía térmica se la puede obtener de diferentes maneras, y esto da el nombre a cada Central: a) Central Térmica Convencional: El calor se obtiene al liberarse la energía química contenida en un combustible fósil (gas natural, carbón, fuel oil, gasoil) mediante el proceso de combustión y transferirse a un fluido (en general agua) en una caldera. Estas centrales se dividen en: Turbo Vapor (TV), Turbo Gas (TG), Ciclo Combinado (CC, combinación de TV y TG) y Diésel (D). Las centrales más difundidas son las TV (vapor a 500-550⁰C y 100-200 atm) que pueden usar fueloil (eficiencia = 36%), carbón (eficiencia = 47%) y gas. Las centrales CC (eficiencia = 58%) son las de mayor crecimiento y usan gas y gasoil. Para mejorar la eficiencia se deberá continuar con la aplicación de nuevas tecnologías asociadas al desarrollo de nuevos materiales que soporten mayores presiones y temperaturas (350 atm, 700 ⁰C). Mejorar la eficiencia es reducir emisión de CO2. b) Central Térmica de Biomasa (TV): El calor se obtiene al liberarse la energía química contenida en la biomasa (residuos agroforestales, residuos sólidos urbanos, biocombustibles), mediante el proceso de combustión. c) Central Termonuclear: El calor se obtiene al liberarse la energía nuclear de determinados materiales radiactivos (U235, Plutonio, etc.) en el proceso de fisión nuclear. d) Central Termosolar: El calor se obtiene al captarse la energía solar directa y concentrarla por medio de espejos, en una línea o en un punto focal por donde se hace circular un fluido (aceite, aire, sales fundidas). Estas centrales se dividen en: Cilindro Parabólica, Torre Central, Disco Parabólico y Fresnel. 8 e) Central Geotérmica: El calor se obtiene de la energía geotérmica del interior de la Tierra (producida por desintegración radiactiva). f) Centrales de Cogeneración: La cogeneración es el procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente, a partir de un solo recurso energético (fósil, biomasa, etc.), energía eléctrica y energía térmica útil (vapor, agua caliente sanitaria, etc.). Con una eficiencia aproximadamente del 85%. Como ≈ el 40 % de la electricidad proviene de centrales convencionales a carbón, la emisión de CO2 producida es muy alta (las centrales de carbón son las que más emiten CO2 por unidad de energía producida ≈ [1 kg CO2/kWh]) y por esta razón se sigue avanzando en el desarrollo de diferentes tecnologías que permitan usar el carbón, pero con menos emisión. CENTRALES A VAPOR (CTV) El fluido de trabajo que se usa en una TV, es vapor de agua producido en un generador de vapor a una temperatura y presión determinada. Se lo introduce en una turbina de tal manera que haga girar unos álabes unidos a un eje rotor; y a su salida, el vapor presenta una presión y una temperatura inferior, como consecuencia de haber cedido energía produciendo trabajo. El fluido calo-transportador que se usa, es vapor de agua, dado su excelente característica de agente térmico, económico y conveniente para ser utilizado en procesos térmicos. Si por ejemplo se tiene un recipiente con agua líquida a presión atmosférica constante y se le entrega calor, su temperatura aumenta progresivamente, hasta llegar a hervir. El calor entregado al agua en este proceso se denomina calor sensible (se siente que la temperatura aumenta). Si continuamos añadiendo calor luego de haber llegado a la temperatura de ebullición, ésta no aumenta, pero el agua se evapora progresivamente (zona de vapor húmedo), tomando cada vez más calor, hasta que llega a evaporarse por completo, transformándose en vapor saturado seco. El calor agregado en este proceso de cambio de fase se denomina calor latente (calor escondido, no se siente que la temperatura aumenta). Si se agrega más calor a este vapor, se convierte en vapor sobrecalentado. 9 Fig. 1.3 Punto Crítico y estados del agua.( González, 2021) CTV Básica Se observa en la Fig. 1.4 una CTV básica formado por los elementos: Generador de Vapor, Turbina, Condensador y Bomba de agua de alimentación. Se observa la entrada de calor (Qin) en el generador de vapor (fuente caliente), la salida de calor (Qout) en el condensador (fuente fría), el trabajo producido por la turbina (Wturbina) y el aporte de trabajo que se debe hacer a la bomba de alimentación (Wbomba.) [ kcal ] 10 1.5- Esquema de una CTV básica y valores característicos de presión y temperatura (1 atm = 1,01325 bar = 101 293 Pa) Los 4 elementos básicos de una CTV básica son: Caldera: Sistema a presión en el que el agua se transforma en vapor como producto final, por cesión de calor de una fuente a temperatura superior. Se reserva el nombre de caldera cuando la presión de vapor es baja y se denomina generador de vapor si el funcionamiento se efectúa a altas presiones de vapor. Turbina de Vapor: Dispositivo encargado de aprovechar la energía térmica del vapor y transformarla en energía mecánica rotacional. Condensador: Dispositivo formado por tubos por donde circula agua de refrigeración. Se encuentra inmediatamente después de la turbina (desde el condensador se puede ver la última fila de álabes). El vapor que sale de la misma se condensa en contacto con estos tubos. Una CTV tiene tanto mejor rendimiento cuanto más frío esté el vapor de escape a la salida de la turbina. También se aprovecha este dispositivo, para eliminar gases incondensables y nocivos, como el O2, ya sea por métodos físicos o químicos como la hidracina. Ejemplo: en una planta que entrega 50 MWe de potencia eléctrica a plena carga, se requieren unos 2000 [lt/seg] de agua fría de refrigeración que circula por el interior de los tubos del condensador. Por el exterior de los tubos circula el vapor caliente, que al entrar en contacto con los tubos fríos se condensa, cediendo casi Figura 1.4- Esquema de una CTV básica. (González, 2021) 11 80 MWth de flujo energético al sistema de refrigeración (analizar los % del rendimiento térmico). Bomba de agua de alimentación: Bomba encargada de impulsar el agua resultante de la condensación hacia la caldera. En las CTV, se realizan diferentes mejoras para lograr una mayor eficiencia: - Disminuir la presión en el condensador - Aumentar la presión en la caldera - Emplear vapor sobrecalentado (sobrecalentador) - Emplear recalentador intermedio (recalentador) - Precalentar el agua de alimentación (economizador) Para lograr un mayor rendimiento se utilizan los siguientes elementos especializados: Economizador: intercambiador de calor situado a la salida de la chimenea para aprovechar los gases calientes residuales producidos en la combustión y precalentar el agua que entra a la caldera, aumentando el rendimiento de la instalación. Evaporador: intercambiador de calor que aprovecha el calor de los gases de escape de temperatura intermedia, para evaporar el agua a la presión del circuito correspondiente. La circulación del agua a través de ellos puede ser forzada o natural, siendo que en la forzada se utilizan bombas y en la natural el efecto termosifón, aunque también se usan bombas en los momentos de arranque o cuando sea necesario, devolviendo el vapor al calderín. Sobrecalentador: intercambiador de calor situado muy próximo al hogar (lugar más caliente), construido con el fin de sobrecalentar el vapor producido en la caldera, que se envía a la turbina de AP. Recalentador: intercambiador de calor situado próximo al hogar, construido para elevar la temperatura del vapor de agua proveniente de la salida de la turbina de AP. 12 1.4. Aceros utilizados para la construcción de calderas de vapor según Código ASME Las calderas de vapor se construyen usualmente a partir de chapas de acero que generalmente son conformadas y unidas mediante soldadura. Actualmente existen normas, códigos o reglamentos que en gran parte de los países establecen los requerimientos de diseño, construcción e inspección de las calderas, recipientes a presión y tuberías. El código ASME está estructurado en XI secciones, dentro de las cuales se encuentra la sección II, que se refiere a los materiales para la construcción de las calderas, la cual contiene las partes A, B y C. Y particularmente en la parte A, se proporcionan las especificaciones para los materiales ferrosos. Una gran parte adopta lo que establece el código para calderas y recipientes a presión ya que es uno de los códigos de mayor reconocimiento, cobertura y aceptación a nivel internacional en la industria manufacturera de las calderas de vapor (ASTM, 2010). Código ASME. Además, el referido código es continuamente revisado y actualizado para incorporar los nuevos requerimientos de diseño, de construcción, montaje, operación, inspección y mantenimiento de las calderas de vapor. Los materiales ferrosos, son resumidas por (Viswanathan, 1993) en la tabla 1.1, en la que distinguen tres grupos de aleaciones, que se corresponden a los aceros al carbono de baja, media y alta resistencia, las aleaciones ferríticas al C-Mo y Cr-Mo y las aleaciones al Cr-Ni que se corresponden a los aceros inoxidables austeníticos. En la referida tabla 1.1, se proporcionan las formas comunes de las aleaciones en estado de entrega, las especificaciones de acuerdo al código ASME, el grado de la aleación, las propiedades de resistencia a la fluencia y tensión mínimas, así como la composición química nominal de las aleaciones. Por otra parte,( French,1990) señala que del 85-90% de los materiales utilizados en la fabricación de los componentes de las calderas de vapor acuotubulares y pirotubulares corresponden a los aceros al carbono, C-0,5Mo, 1,25Cr-0,5Mo, 2,25Cr- 1Mo y 18Cr-10Ni, los cuales s e agrupan en la tabla 1 . 2 con las respectivas temperaturas máximas de explotación, las cuales están por debajo de las temperaturas permitidas por el código ASME e inclusive de algunos fabricantes de calderas si se compara con los ejemplos proporcionados por (Viswanathan ,1993) en la tabla 1.3 . La aceptación de esas temperaturas 13 máximas por parte de los fabricantes de calderas es con el fin de estar dentro de los límites que exige el código ASME y además para prevenir cambios en las propiedades de los aceros. Tabla 1.1. Materiales utilizados en la construcción de calderas (Viswanathan, 1993). 14 Aleación Forma del product o Especifica ción ASME o ASTM Grad o Resisten cia mínima a la tensión MPa (ksi) Resisten cia mínima a la fluencia MPa (Ksi) Composición química (%) C Mn P S Si N i Cr Mo Aceros ferríticos C-0,5Mo Tubos SA-209 T1 280 (55) 207 (30) 0,10-0,20 0,30-0,80 0,045 0,045 0,10-0,50 - - 0,44-0,65 1Cr- 1/2Mo Forjados SA-336 F12 483 (70) 276 (40) 0,10-0,20 0,30-0,80 0,040 0,040 0,10-0,60 - 0,80-1,10 0,45-0,65 Tubos SA-213 T12 414 (60) 207 (30) 0,15 0,30-0,61 0,045 0,045 0,50 - 0,80-1,5 0,44-0,65 Tubería SA-335 P12 414 (60) 207 (30) 0,15 0,30-0,61 0,45 0,045 0,50 - 0,80-1,25 0,44-0,65 Chapa SA-387 12 449 (65) 276 (40) 0,17 0,36-0,69 0,035 0,040 0,13-0,32 - 0,74-1,21 0,40-0,65 Forjados SA-182 F12C2 483 (70) 276 (40) 0,10-0,20 0,30-0,80 0,040 0,040 0,10-0,60 - 0,80-1,25 0,44-0,65 Forjados SA-182 F12C1 483 (70) 276 (40) 0,10-0,20 0,30-0,80 0,040 0,040 0,10-0,60 - 0,80-1,25 0,44-0,65 1,25Cr- 0,5Mo Tubos SA-213 T11 414 (60) 207 (30) 0,15 0,30-0,60 0,030 0,030 0,50-1,00 - 1,00-1,50 0,44-0,65 Tubería SA-335 P11 414 (609 207 (30) 0,15 0,30-0,60 0,030 0,030 0,50-1,00 - 1,00-1,50 0,44-0,65 Chapa SA-387 11C12 518 (75) 311 (45) 0,17 0,36-0,69 0,035 0,040 0,44-0,86 - 0,94-1,56 0,40-0,70 Forjados SA-182 F11 483 (70) 276 (40) 0,10-0,20 0,30-0,80 0,040 0,040 0,50-1,00 - 1,00-1,50 0,44-0,65 Fundicion es (b) SA-217 WC6 486 (70) 276 (40) 0,20 0,50-0,80 0,040 0,045 0,60 - 1,00-1,50 0,45-0,65 15 Tabla 1.1. Materiales utilizados en la construcción de calderas (continuación) (Viswanathan,1993) Aleación Forma del product o Especifica ción ASME o ASTM Grad o Resisten cia mínima a la tensión MPa (ksi) Resisten cia mínima a la fluencia MPa (Ksi) Composición química (%) C Mn P S Si N i Cr Mo Aceros ferríticos C-0,5Mo Tubos SA-209 T1 280 (55) 207 (30) 0,10-0,20 0,30-0,80 0,045 0,045 0,10-0,50 - - 0,44-0,65 1Cr- 1/2Mo Forjados SA-336 F12 483 (70) 276 (40) 0,10-0,20 0,30-0,80 0,040 0,040 0,10-0,60 - 0,80-1,10 0,45-0,65 Tubos SA-213 T12 414 (60) 207 (30) 0,15 0,30-0,61 0,045 0,045 0,50 - 0,80-1,5 0,44-0,65 Tubería SA-335 P12 414 (60) 207 (30) 0,15 0,30-0,61 0,45 0,045 0,50 - 0,80-1,25 0,44-0,65 Chapa SA-387 12 449 (65) 276 (40) 0,17 0,36-0,69 0,035 0,040 0,13-0,32 - 0,74-1,21 0,40-0,65 Forjados SA-182 F12C2 483 (70) 276 (40) 0,10-0,20 0,30-0,80 0,040 0,040 0,10-0,60 - 0,80-1,25 0,44-0,65 Forjados SA-182 F12C1 483 (70) 276 (40) 0,10-0,20 0,30-0,80 0,040 0,040 0,10-0,60 - 0,80-1,25 0,44-0,65 1,25Cr- Tubos SA-213 T11 414 (60) 207 (30) 0,15 0,30-0,60 0,030 0,030 0,50-1,00 - 1,00-1,50 0,44-0,65 2,25Cr-1Mo Tubos SA-213 T22 414 (60) 207 (30) 0,15 0,30-0,60 0,030 0,030 0,50 - 1,90-2,60 0,87-1,13 Tubería SA-335 P22 414 (60) 207 (30) 0,15 0,30-0,60 0,030 0,030 0,50 - 1,90-2,60 0,87-1,13 16 0,5Mo Tubería SA-335 P11 414 (609 207 (30) 0,15 0,30-0,60 0,030 0,030 0,50-1,00 - 1,00-1,50 0,44-0,65 Chapa SA-387 11C12 518 (75) 311 (45) 0,17 0,36-0,69 0,035 0,040 0,44-0,86 - 0,94-1,56 0,40-0,70 Forjados SA-182 F11 483 (70) 276 (40) 0,10-0,20 0,30-0,80 0,040 0,040 0,50-1,00 - 1,00-1,50 0,44-0,65 Fundicion es (b) SA-217 WC6 486 (70) 276 (40) 0,20 0,50-0,80 0,040 0,045 0,60 - 1,00-1,50 0,45-0,65 2,25Cr- 1Mo Tubos SA-213 T22 414 (60) 207 (30) 0,15 0,30-0,60 0,030 0,030 0,50 - 1,90-2,60 0,87-1,13 Tubería SA-335 P22 414 (60) 207 (30) 0,15 0,30-0,60 0,030 0,030 0,50 - 1,90-2,60 0,87-1,13 Tabla 1.2. Aceros más frecuentemente utilizados en las calderas de vapor (French, 1990). Tipo de acero Especificaci ón Temperatur a máxima 0C Carbono SA36, SA178, SA192, SA210, SA106, SA515, SA516 454 Carbono– 0,5Mo SA209 482 1,25Cr – 0,5Mo SA213 T-11, SA335 P-11 552 2,25Cr – 1Mo SA213 T-22, SA335 P22 579 18Cr – 10Ni SA213 TP304(H), 321(H), 347(H) 815 Tabla 1.3. Temperaturas máximas del tubo de metal permitidas por el código ASME y fabricantes de calderas (Viswanathan, 1993). Tipo de acero del tubo Especificaci ón ASME ASME 0C (0F) Babcoc k y Wilcox 0C (0F) Combusti ón Engineeri ng 0C (0F) Riley Stock er 0C (0F) Acero al carbo no SA-178 C 538 (1000) 510 (950) 454 (850) 454 (850) SA-192 538 (1000) 510 (950) 454 (850) 454 (850) SA-210 A1 538 (1000) 510 (950) 454 (850) 454 (850) Acero al C- Mo SA-209 T1 538 (1000) - 482 (900) 482 (900) SA-209 T1a 538 (1000) 524 (975) - - Aceros Cr- Mo SA-213 T11 649 (1200) 566 (1050) 552 (1025) 552 (1025) SA-213 T22 649 (1200) 602 (1115) 580 (1075) 580 (1075) Aceros inoxidabl es SA-213 321H 816 (1500) 760 (1400) - 816 (1500) SA-213 347H 816 (1500) - 704 (1300) - SA-213 304H 816 (1500) 760 (1400) 704 (1300) - De los grupos de aceros resumidos en las tablas 1.2 y 1.3 se destacan las siguientes particularidades: • Según (French, 1990), los aceros al carbono están diseñados y especificados para temperaturas máximas de servicio de 454 ºC. • En los aceros C-0,5Mo, la temperatura máxima de servicio es de 482 ºC. De acuerdo a French (19 91, 2002), Thielsch (1982) y Viswanathan (2004), la presencia del Mo disminuye la posibilidad de la aparición de daños por debajo de esta temperatura • En el caso de los aceros 1,25Cr-0,5Mo, la adición del 1,25% de Cr incrementa la temperatura máxima de servicio, siendo ésta de 552 ºC (Viswanathan, 2004, 1993, Frech,1991) • Los aceros 2,25Cr-1Mo, tienen una temperatura máxima de servicio de 580 ºC, lo cual es debido a la presencia y al incremento del % del Cr y Mo (French, 1991, Thielsch, 1982). En los aceros 18Cr-10Ni (inoxidables) el incremento del %Cr y la presencia del Ni (French, 1991, Thielsch, 1982) los hace soportar temperaturas en servicio hasta 81. CAPITULO 2: INTRODUCCIÓN AL CREEP Y VIDA ÚTIL 2.1 Introducción En el presente capítulo se abordan aspectos fundamentales relacionados con el fenómeno de creep, su estudio mediante ensayos no destructivos, así como la obtención de diferentes tipos de réplicas metalográficas mediante microscopia, por último, se introducirá el parámetro de Larson-Miller el cual será utilizado en un estudio de casos. 2.2 Introducción al estudio del “creep” Los materiales estructurales están sometidos generalmente a cargas por debajo del límite elástico. En este caso se produce deformación plástica permanente, a esta deformación plástica e intergranular dependiente del tiempo que se da en materiales por debajo de su límite elástico se denomina fluencia lenta, termofluencia o “creep”. Actualmente se ha comprobado que todos los metales se deforman más o menos lentamente aplicándoles cargas muy pequeñas e inferiores al límite de fluencia, la fluencia aumenta con la carga y la temperatura, pero cabe destacar que las metas son menos sensibles cuanto más elevada es su temperatura de Fusión. La fluencia es un mecanismo de fallo por rotura de los materiales, por este motivo se debe tener muy en cuenta para proyectos de ingeniería, particularmente aquellos que funcionan a altas temperaturas, la mayor parte de los materiales metálicos no se pueden utilizar para aplicaciones estructurales cuando su temperatura se eleva por encima de 0,5 o 0,6 veces la temperatura de fusión, porque se deforma plástica- e intergranularmente, llegando a producirse la rotura. La termofluencia se da para condiciones de baja tensión y largo tiempo a elevadas temperaturas. La temperatura a partir de la cual este efecto empieza a producirse depende del tipo de material. En los materiales metálicos se da a temperaturas que están por encima de la temperatura equicohesiva, que es la temperatura a la cual, a lo largo del límite de grano, la cohesión es igual que a lo largo del grano, que puede ser 0,4-0,5- 0,6 veces la TF, dependiendo del material. En los materiales cerámicos también se produce la termofluencia, pero se producirá a temperaturas un poco más elevadas, del orden de 0,4*TF a 0,7*TF. En muchos de los polímeros se produce termofluencia a temperatura ambiente. Este tipo de fallo es muy complejo, y en él intervienen distintos mecanismos de deformación y depende de la tensión a la que está sometido el material, la temperatura, la velocidad de deformación y el tipo de material. El proceso de fluencia (creep) se estudia en instalaciones especiales, las cuales registran automáticamente la llamada curva de fluencia, que caracteriza la deformación de la probeta con el tiempo, por la acción de la tensión constante. Una curva típica de fluencia se reproduce en la figura 4. En la curva de fluencia se distinguen varios tramos. El tramo OA corresponde a la deformación elástica y plástica que se produce en el momento de aplicar la carga. El tramo AB es el llamado no estacionario de la curva de fluencia. El metal se deforma con velocidad no uniforme retardada. El tramo BC es el llamado de régimen de fluencia estacionario. El metal se deforma con velocidad uniforme. La tangente del ángulo de inclinación de la curva caracteriza la velocidad de fluencia. El tramo CD es la última etapa de fluencia, que transcurre con aceleración ininterrumpida del proceso y concluye con la rotura en el punto D. Fig. 2.1 Curva de fluencia típica.( Guliaev, 1983) Los fenómenos que ocurren en el metal y que tienen relación con los procesos de fluencia, pueden describirse sucintamente como sigue. La deformación plástica hace que se endurezca el metal (acritud). Si la temperatura es alta, la movilidad de los átomos es suficientemente grande y se elimina el endurecimiento (acritud) producido por la deformación plástica. Así, pues, durante el proceso de fluencia se desarrollan dos procesos que compiten entre sí: el endurecimiento del metal por la deformación plástica y su ablandamiento por la acción de la alta temperatura. Por debajo de la temperatura a la cual transcurre con velocidad apreciable el proceso de ablandamiento (para el hierro 350 ºC), el fenómeno de la fluencia prácticamente no se observa. Por consiguiente, la temperatura de ablandamiento determina el límite por encima de cual fluye el metal. Si a una temperatura dada que puede ser mayor a la temperatura de recristalización el valor de la tensión es inferior al límite de elasticidad del metal a dicha temperatura, es evidente que la tensión sólo producirá deformaciones elásticas. Si no hay deformación plástica, no habrá endurecimiento ni ablandamiento ni fluencia. Por lo tanto, el fenómeno de la fluencia se pondrá de manifiesto en los casos siguientes: • A temperaturas superiores a la de recristalización • Con tensiones superiores al límite de elasticidad. De esto se deduce que la velocidad de fluencia será tanto mayor, cuanto más rápidos sea el ablandamiento del metal por la acción de los procesos de recristalización definidos por la fuerza de los enlaces interatómicos y cuanto menor sea su resistencia en los ensayos de poca duración. Par evitar totalmente el fenómeno de la fluencia hay que hacer que la temperatura de recristalización del metal sea más alta que la temperatura de trabajo o que su límite de elasticidad sea mayor que la tensión de trabajo a la temperatura dada. Pero estas condiciones no pueden cumplirse siempre y es frecuente que en las construcciones no se consiga evitar totalmente la fluencia, sino solo retardarla. Como la velocidad de fluencia depende de la composición y de la estructura del metal, se tiende a disminuirla con una aleación o un tratamiento térmico conveniente. Con esto disminuye la velocidad de los procesos de ablandamiento a las temperaturas dadas, lo que se consigue cuando aumentan los enlaces interatómicos en el metal o disminuye la magnitud de la deformación plástica provocada por las tensiones dadas mediante la elevación de la resistencia del metal a la temperatura dada. Considerando, en el aspecto histórico, el desarrollo de las aleaciones resistentes a altas temperaturas, puede llegarse a la conclusión de que para cada grupo de aleaciones se ha alcanzado ya el límite. No obstante, existen aún vías de perfeccionamiento de dichas aleaciones. 1. La metalurgia ha introducido en la industria una serie de nuevos procesos que aseguran no sólo una elevada depuración con respecto a las impurezas nocivas, sino también una densidad mayor mediante la formación de un frente de cristalización dirigido. 2. Han aparecido y se están empezando a aplicar nuevos procesos de deformación, y algunos metales de grado de aleación y resistencia a altas temperaturas bastante elevados, que antes se tenían por inservibles para ser empleados en estado deformado, ahora pueden utilizarse. 3. Elementos que antes se consideraban exóticos y de utilización inadmisible, pueden emplearse ahora, aunque a escala limitada, claro está, como componentes de aleación y como base de aleaciones (tantalio, renio, hafnio, niobio y otros). 4. Han aparecido ideas nuevas en principio de creación de piezas de aleaciones resistentes a altas temperaturas (de materiales compuestos, monocristalinos, de materiales en polvo y otros). 5. Se han ensanchado y profundizado los conocimientos sobre la naturaleza de los materiales metálicos, sobre la naturaleza de la resistencia en general y de la resistencia a altas temperaturas; se perfeccionan los métodos de ensayo. La utilización de los nuevos procesos tecnológicos de producción y elaboración de las aleaciones proporciona el aumento de dicha resistencia si al mismo tiempo se cambia la composición química. Así, por ejemplo, a igualdad de composición, atendiendo a los componentes de aleación principales, la resistencia a altas temperaturas del metal más puro, obtenido al vacío, no aumenta, sino que incluso disminuye un poco, pero su plasticidad es mayor y permite aumentar el volumen de la fase dispersa endurecedora y de ese modo lograr que su resistencia sea mayor a altas temperaturas. Es de suponer que este hecho se deba a que la solubilidad de la fase endurecedora en el metal puro es mayor y se forma un volumen mayor de inclusiones dispersas que elevan la resistencia a altas temperaturas. Así, pues, las propiedades de resistencia a altas temperaturas vienen determinadas en primer lugar por la naturaleza del componente principal del metal, después, por su aleación, y finalmente, por los regímenes del tratamiento térmico precedente que hacen que la aleación tome una u otra estructura. 2.3 Estudio del fenómeno de Creep mediante ensayo no destructivo La metalografía no destructiva o réplica metalográfica es una de las técnicas contempladas en los ensayos no destructivos, utilizada en forma no rutinaria para detectar heterogeneidades y defectos superficiales que se manifiestan en equipos y componentes en servicio que trabajan a presión y temperatura en forma continua, toda vez que no se pueda extraer una muestra metalográfica para conocer los cambios microestructurales que hubiesen ocurrido. La réplica metalográfica consiste en copiar la textura y relieves (interfases como junturas de grano, límites de maclas, depresiones por presencia carburos, microgrietas, etc.) de la superficie de cualquier aleación o metal mediante la utilización de un celuloide, el cual se prepara adecuadamente y se presiona sobre la superficie preparada en forma similar a cualquier probeta metalográfica de laboratorio, pero con un sobreataque químico para magnificar las interfases mencionadas y relieves que puedan ser copiados por el celuloide. La réplica metalográfica permite detectar cambios microestructurales a nivel de la superficie de los componentes como: grafitización de aceros al carbono, crecimiento de grano, descarburización y globulización de la perlita o cementita en la perlita. En aceros microaleados, como aceros de la familia Cr-Mo, se puede evaluar el grado de coalescencia de los carburos, carburización superficial, desarrollo de microcavidades de creep, microgrietas de fatiga, mecanismos de recristalización, evidencias de bandas de deformación y maclado, y otras transformaciones de fases. Réplicas Metalográficas Con el nombre genérico de réplica se denomina a toda película, tanto delgada como masiva, constituida generalmente por un material amorfo, que contiene los rasgos topográficos de una superficie dada. El contraste de la imagen, obtenida en un microscopio electrónico de transmisión o en un microscopio de reflexión, está por lo tanto directamente relacionado con la topografía de la muestra original. Técnicas de preparación de réplicas Normalmente se utilizan dos métodos para obtener réplicas de una superficie: 1. El método de una etapa El método de una sola etapa permite obtener replicas fieles de una muestra dada. El depósito directo de carbono sobre la superficie reproduce su topografía con mayor fidelidad que cualquier otro, obteniéndose de esta manera réplicas de máxima resolución. El único inconveniente de la réplica de una etapa es el deterioro de la superficie replicada durante la separación de la película de carbono de la muestra. 2. El método de dos etapas Este método no deteriora la superficie estudiada y es el más utilizado en los casos de obtención de réplicas de componentes industriales. Las rugosidades de la superficie se replican primero mediante una capa intermedia de barniz o plástico, o de acetato, dependiendo del material a utilizar. Este último es el que se utilizara debido a que en el primer caso la resolución máxima obtenible es de unos 20- 30 Ǻ, mientras que en el segundo se pueden llegar a observar detalles de unos 150 Ǻ. Procedimiento realizado para la obtención de réplicas: 1. Especificación de puntos de obtención de réplicas La especificación de los puntos de obtención de réplicas, se basa en los estudios previos de la geometría de los elementos expuestos a altas temperaturas y presiones, por evaluaciones de deterioro acelerado detectado por técnica de ensaye de espesores. 2. Preparación de las superficies La preparación de superficies de análisis, tiene importancia relevante para la obtención nítida de las microestructuras en el examen metalográfico. Considera desbaste primario, secundario, pulido primario y secundario o final, con alúmina de 3 y 1 micrón respectivamente. Lavado con H2O-alcohol de zonas, después de desbaste y pulido. 3. Ataque con reactivos químicos La muestra preparada se sumerge en el reactivo durante un período específico. Durante este tiempo, el reactivo corroerá selectivamente ciertas áreas de la muestra, revelando diferentes aspectos de la microestructura. La duración del ataque varía según el tipo de material y el reactivo utilizado. 4. Obtención de Réplica y análisis microscópico Se aplicó un líquido emulsificante base acetona sobre cada film de acetato de celulosa. Después de 1 minuto de ablandamiento de la réplica, ésta se aplica sobre la superficie con ataque químico previo, presionando la réplica sobre la superficie de análisis, de manera que permita copiar los relieves de la superficie en ella. Después de 5 minutos, la réplica se retira y pega sobre un vidrio portaobjeto. El proceso se repite en triplicado para cada punto de análisis, obteniéndose así 3 réplicas por punto. La parte posterior de la réplica contiene un aluminizado que permite la reflexión de la luz y observación en el microscopio óptico de hasta 1000X Fenómeno Creep obtenido en un ensayo de réplica en la superficie exterior de una tubería: Microestructuralmente la termofluencia causa microvacíos, agrietamiento intergranular y penetración de óxido en los límites de grano. La Figura (2.2) muestra microfisuras intergranulares durante sobrecalentamientos sostenidos en el tiempo, el fenómeno de termofluencia genera dichas microfisuras debido a la formación de microvacíos en los límites de granos, ayudado por la globulización de la cementita y posteriormente se propagan como fisuras longitudinales. Además, la presencia de esfuerzos debido a la presión ejercida por el vapor y las variaciones de temperatura ayudan al crecimiento de las microfisuras, originando grietas macroscópicas que atraviesan el espesor del tubo produciendo fugas. Fig. 2.2 Microfisuras intergranulares en la superficie exterior del tubo a 200X. Determinación de la vida remanente mediante evolución de las cavidades: El siguiente método fue desarrollado por Neubauer (1981), el que establece cuatro estados del daño por creep a partir de la observación de las micro estructuras Ver Figura Fig. 2.3 Distribución de la vida por creep basada en la distribución de cavidades (French , 1991). Otra forma de evaluar el daño por Creep es utilizando el Estadio de degradación Micro estructura se observa en la siguiente curva Ver Figura Donde ubicándose dentro del Estado I de degradación, el daño por Creep es mínimo, a medida que se avanza en el daño se llega al Estado II donde los hoyuelos por Creep comienzan a generar degradación y disminución de las propiedades mecánicas del componente. Llegando al Estado III donde las microfisuras crecen para generar macrofisuras y se corre riesgo de rotura del componente. Fig. 2.4. Curva de progresión del daño por creep. (French,1991). 2.3.1 Diferentes tipos de réplicas metalográficas mediante microscopía, su utilidad y como elegir el tipo adecuado para la muestra a analizar: Replica metalográfica mediante microscopia óptica - En microscopía óptica, la réplica metalográfica implica la creación de una copia de la superficie de un material a escala microscópica, generalmente para su análisis a través de un microscopio óptico. - El proceso generalmente implica montar la muestra en resina, pulirla y aplicar un agente revelador para obtener una imagen replicada de la microestructura en la superficie. - Esta técnica es útil para observar la microestructura a una escala mayor que la microscopía electrónica y es más adecuada para análisis superficial. Replica metalográfica mediante microscopia electrónica de barrido - En este enfoque, la muestra metalográfica se replica de manera similar a la descripción explicada anteriormente, pero específicamente se utiliza para el análisis a través de un microscopio electrónico de barrido. - El SEM proporciona una mayor resolución y profundidad de campo en comparación con la microscopía óptica, lo que permite observar características detalladas de la microestructura, como la morfología de los granos, la distribución de fases y las inclusiones a una escala muy pequeña. Replica metalográfica mediante microscopia electrónica de transmisión - La réplica para microscopía electrónica de transmisión sigue un proceso similar al de SEM, pero está diseñada específicamente para el análisis a través de un microscopio electrónico de transmisión. - El TEM permite observar la estructura interna de los materiales a una escala atómica e incluso subatómica, lo que lo hace útil para estudiar defectos cristalinos, interfaces de grano y características a escalas extremadamente pequeñas. Como elegir la réplica metalográfica adecuada para cada proceso: La elección de la técnica de réplica metalográfica adecuada depende de los objetivos específicos del estudio, así como de la escala y la naturaleza de las características que se desean analizar en la microestructura del material. Cada técnica tiene sus propias ventajas y limitaciones, por lo que seleccionar la mejor opción implica considerar diversos factores. 1. Réplica metalográfica mediante microscopía óptica: - Esta técnica es apropiada cuando la observación de la microestructura a una escala macro o microscópica es suficiente para los objetivos del estudio. - Es útil para caracterizar la morfología general de los granos, la distribución de fases a una escala relativamente grande, así como para la observación de inclusiones y otros defectos a un nivel superficial. - Se prefiere cuando la resolución en la escala microscópica es suficiente y no se requiere un análisis detallado a escala submicrométrica. 2. Réplica metalográfica mediante microscopía electrónica de barrido (SEM): - Esta técnica es ideal cuando se necesita observar la microestructura a una escala muy fina, en el rango de micrómetros a submicrómetros. - Es útil para analizar la morfología detallada de los granos, la distribución de fases, las inclusiones y otros detalles a una escala alta. Además, proporciona una mayor resolución y profundidad de campo que la microscopía óptica. - Se prefiere cuando se requiere un análisis detallado a nivel microscópico con la capacidad de observar características a una escala extremadamente pequeña. 3. Réplica metalográfica mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM): - Esta técnica es adecuada para estudiar la estructura interna de los materiales a una escala atómica y subatómica, lo que la hace ideal para analizar defectos cristalinos, interfaces de grano y características a escalas extremadamente pequeñas. - Se prefiere cuando se necesita una resolución excepcionalmente alta y la capacidad de observar detalles a una escala subatómica. Por lo tanto, la elección de la técnica de réplica metalográfica dependerá de la escala y el nivel de detalle requerido para el estudio en cuestión. Si se busca una comprensión detallada de la microestructura a una escala microscópica, la réplica mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) puede ser la opción más adecuada. Si, por otra parte, se necesita un análisis a escala subatómica, la réplica para microscopía electrónica de transmisión (TEM) sería la elección indicada. 2.4 Parámetro de Larson-Miller 2.4.1 Definición y Fundamentos: - ¿Cuál es la historia y el contexto detrás del desarrollo del parámetro de Larson-Miller? El parámetro de Larson-Miller, denominado así en honor a los ingenieros H. F. Larson y W. J. Miller, es un concepto fundamental en la ingeniería de materiales, específicamente en la evaluación y predicción de la vida útil de materiales sometidos a cargas cíclicas a alta temperatura. Su desarrollo y aplicación están estrechamente ligados al avance en la comprensión de la fatiga de materiales y su comportamiento a elevadas temperaturas. Durante el siglo XX, los ingenieros y metalurgistas trabajaron para comprender mejor cómo los materiales se comportan bajo cargas cíclicas y a temperaturas elevadas, ya que estas condiciones podían llevar a fallos catastróficos en componentes críticos. En este contexto, H. F. Larson y W. J. Miller propusieron una formulación empírica que relacionaba de manera simplificada la temperatura y el tiempo de exposición a esa temperatura con la vida en fatiga. Esta formulación, conocida como el parámetro de Larson-Miller, fue presentada como una manera de correlacionar y comparar los datos de fatiga a diferentes temperaturas y tiempos, proporcionando una representación simplificada de la resistencia a la fatiga a alta temperatura. La fórmula original del parámetro de Larson-Miller, T_M × (C + log t) = constante, encapsula la noción de que la degradación de un material a alta temperatura está relacionada con la combinación del tiempo y la temperatura, y que esta relación puede ser representada mediante una única constante empírica, C, para un material específico. Aunque el parámetro de Larson-Miller es una simplificación empírica de la resistencia a la fatiga a alta temperatura, su utilidad radica en proporcionar una forma estandarizada y comparativa de evaluar y predecir la vida útil de materiales en condiciones de servicio a altas temperaturas. - ¿Cuáles son los principios fundamentales de la vida en fatiga a alta temperatura y cómo se relacionan con el parámetro de Larson-Miller? La comprensión de los principios fundamentales de la vida en fatiga a alta temperatura proporciona un contexto crucial para comprender la relevancia y aplicación del parámetro de Larson-Miller Principios Fundamentales de la Vida en Fatiga a Alta Temperatura: 1. Efectos de Deformación a Alta Temperatura: A altas temperaturas, los materiales suelen experimentar una mayor susceptibilidad a la deformación plástica, lo que puede conducir a la formación y propagación de grietas. Este comportamiento es fundamental para comprender la fatiga a alta temperatura y los mecanismos de daño asociados. 2. Difusión y Crecimiento de Grietas: A temperatura elevada, el proceso de difusión facilita el crecimiento de grietas y la relajación de tensiones. Esto puede acelerar significativamente el desarrollo de daño por fatiga a través de mecanismos de crecimiento de grietas y coalescencia en áreas de alta temperatura. 3. Efectos de Ciclado Térmico: En aplicaciones a alta temperatura, la exposición a ciclos térmicos puede tener un efecto significativo en el comportamiento de fatiga, ya que los materiales experimentan expansiones y contracciones térmicas cíclicas que pueden contribuir a la fatiga térmica. Relación con el Parámetro de Larson-Miller: El parámetro de Larson-Miller se basa en la noción de que la vida en fatiga a alta temperatura se ve afectada por una combinación de la temperatura y el tiempo, y que esta relación puede ser representada simplificadamente mediante una constante empírica (\ (C \)). Varios principios fundamentales de la vida en fatiga a alta temperatura están directamente relacionados con el parámetro de Larson- Miller: 1. Relación Temperatura-Tiempo: El parámetro de Larson-Miller asume que la relación entre la temperatura y el tiempo es crítica para la degradación del material a alta temperatura y su vida en fatiga. Esta relación refleja la influencia de la difusión, la formación y propagación de grietas, y otros mecanismos de daño a temperatura elevada. 2. Correlación Simplificada: El parámetro de Larson-Miller proporciona una forma simplificada de correlacionar la vida en fatiga con la temperatura y el tiempo, lo que facilita la estimación comparativa de la vida útil a diferentes condiciones de operación a alta temperatura. 3. Aplicación en Diseño y Evaluación: Los principios fundamentales de la vida en fatiga a alta temperatura están intrínsecamente relacionados con la aplicación del parámetro de Larson-Miller en el diseño y la evaluación de materiales y componentes. Al proporcionar una forma estandarizada de correlacionar datos de fatiga a diferentes condiciones, el parámetro de Larson-Miller permite una evaluación eficiente de la vida útil en condiciones de servicio específicas. 2.4.2. Aplicaciones Industriales: - ¿Cuáles son las aplicaciones prácticas del parámetro de Larson-Miller en la industria y en qué tipos de materiales y componentes se emplea con mayor frecuencia? El parámetro de Larson-Miller tiene una amplia gama de aplicaciones en la industria y es especialmente relevante en el diseño y la evaluación de componentes que operan a altas temperaturas y están sujetos a ciclos de carga térmica. Algunos de los sectores donde este parámetro es de gran importancia incluyen la industria aeroespacial, la generación de energía, la petroquímica y la fabricación de equipos para procesos a alta temperatura. En la industria aeroespacial, el parámetro de Larson-Miller se utiliza en la evaluación de aleaciones de alta temperatura y materiales cerámicos que son fundamentales para motores de aviones, turbinas de gas y otros componentes que operan en condiciones extremas. La capacidad de predecir la vida útil a alta temperatura es crucial para asegurar la integridad estructural y la fiabilidad de estos componentes en entornos operativos desafiantes. En la generación de energía, el parámetro de Larson-Miller es fundamental para la evaluación de materiales en turbinas de vapor, calderas de alta presión y otros equipos que operan a elevadas temperaturas y presiones. La capacidad de predecir la vida útil es esencial para garantizar la seguridad y el rendimiento continuo de estos sistemas de generación de energía críticos. En la industria petroquímica, donde los equipos operan en entornos de alta temperatura y corrosión, el parámetro de Larson-Miller es utilizado para evaluar la vida útil de materiales en reactores químicos, intercambiadores de calor y otros componentes expuestos a condiciones severas. En términos de materiales y componentes específicos, el parámetro de Larson- Miller se emplea con mayor frecuencia en aleaciones de alta temperatura, superaleaciones, cerámicas avanzadas y otros materiales diseñados para soportar ambientes exigentes. Además, componentes como discos de turbinas, tuberías y sistemas de calderas son ejemplos de elementos críticos donde se aplica el parámetro de Larson-Miller para evaluar la vida útil y la integridad estructural. En conclusión, el parámetro de Larson-Miller tiene aplicaciones clave en la industria, especialmente en sectores donde la integridad estructural y la vida útil a alta temperatura son de importancia crítica. - ¿Cuáles son los desafíos y beneficios de aplicar el parámetro de Larson- Miller en el diseño de materiales y componentes para aplicaciones de alta temperatura? La aplicación del parámetro de Larson-Miller en el diseño de materiales y componentes para aplicaciones de alta temperatura conlleva varios desafíos y beneficios significativos, los cuales son fundamentales para comprender su impacto en la ingeniería de materiales. Desafíos: 1. Variabilidad y Complejidad de la Vida en Fatiga: La vida en fatiga a alta temperatura está influenciada por múltiples factores, incluyendo la microestructura del material, la presencia de defectos, la presencia de cargas residuales, oxidación, y la interacción entre cargas cíclicas y condiciones térmicas. La variabilidad y complejidad de estos factores representan un desafío importante al intentar correlacionar la vida en fatiga con la temperatura y el tiempo. 2. Valores de \ (C \) Sensibles al Material: Los valores de \ (C \) en el parámetro de Larson-Miller se derivan empíricamente a partir de datos experimentales, lo que significa que estos valores son sensibles a la composición, microestructura y condiciones de procesamiento del material específico. Esto requiere una adaptación cuidadosa de los valores de \ (C \) para reflejar la resistencia a la fatiga térmica del material en consideración. 3. Aplicabilidad Limitada a Operación Monótona: El parámetro de Larson-Miller se basa en la relación entre la temperatura, el tiempo y la vida en fatiga bajo condiciones monótonas de carga. Esta limitación puede no representar adecuadamente los efectos de tensiones variables, cargas cíclicas complejas y efectos termomecánicos en la fatiga a alta temperatura. Beneficios: 1. Estimación de Vida Útil Simplificada: El parámetro de Larson-Miller proporciona una forma simplificada y estandarizada de correlacionar y comparar datos de fatiga a diferentes temperaturas y tiempos, lo que permite una estimación simplificada de la vida útil a alta temperatura en diferentes materiales y aleaciones. 2. Comparación Estandarizada de Materiales: El parámetro de Larson-Miller permite comparar la resistencia a la fatiga a alta temperatura de diferentes materiales y aleaciones de manera estandarizada, lo que ayuda en la selección de materiales para aplicaciones específicas y en la evaluación comparativa de la vida útil. 3. Diseño Eficiente de Componentes: La aplicación del parámetro de Larson- Miller facilita el diseño eficiente de componentes que operan a alta temperatura al proporcionar una estimación rápida y comparativa de la vida útil en condiciones de servicio específicas. 4. Herramienta para la Investigación y Desarrollo de Materiales: El parámetro de Larson-Miller es una herramienta valiosa en la investigación y desarrollo de nuevos materiales y aleaciones para aplicaciones a alta temperatura, ya que ofrece una forma estandarizada de evaluar la resistencia a la fatiga. 2.4.3. Factores de Influencia: - ¿Cuáles son los factores que influyen en el cálculo y la interpretación del parámetro de Larson-Miller? (Variaciones en composición, microestructura, carga cíclica, etc.) Varios factores influyen en el cálculo y la interpretación del parámetro de Larson- Miller, y es crucial considerarlos para una evaluación precisa de la vida útil a alta temperatura de los materiales. - Composición del Material: La composición de la aleación o material en consideración puede tener un impacto significativo en la vida útil a alta temperatura. Diferentes aleaciones y materiales pueden exhibir respuestas variadas a la fatiga térmica, lo que requiere una adaptación de los valores de \ (C \) en la fórmula del parámetro de Larson-Miller para reflejar estas diferencias. - Microestructura: La microestructura del material, que incluye características como el tamaño de grano, segregación, precipitados y defectos de ubicación, puede influir en su comportamiento bajo cargas cíclicas a alta temperatura. Estas características microestructurales afectan la capacidad del material para resistir la fatiga térmica y, por lo tanto, deben ser consideradas al interpretar los resultados del parámetro de Larson-Miller. - Carga Cíclica y Frecuencia: Las características de la carga cíclica, incluyendo la amplitud, la frecuencia y la relación entre carga y descarga, desempeñan un papel crucial en la vida útil a alta temperatura. El parámetro de Larson-Miller asume una relación entre el tiempo y la temperatura bajo ciclos de carga, por lo que variaciones en la carga cíclica pueden influir en la interpretación de los resultados. - Ambiente de Operación: El ambiente en el que opera el material, que incluye factores como la presencia de gases agresivos, oxidación y corrosión a alta temperatura, también puede influir en la resistencia a la fatiga térmica y, por ende, en la interpretación del parámetro de Larson-Miller. - ¿Cómo se seleccionan y verifican los valores de \ (C \) en la fórmula del parámetro de Larson-Miller para diferentes materiales y aleaciones? La selección y verificación de los valores de \ (C \) en la fórmula del parámetro de Larson-Miller para diferentes materiales y aleaciones es un proceso crítico en la aplicación exitosa de esta herramienta. Estos valores permiten correlacionar los datos de fatiga a diferentes temperaturas y tiempos, proporcionando una comprensión de la resistencia del material a la fatiga térmica a lo largo de un rango de temperaturas y tiempos Selección de los Valores de \ (C \): 1. Datos Experimentales: La selección de \ (C \) generalmente parte de datos experimentales obtenidos de ensayos de fatiga a diferentes temperaturas y cargas. La información recopilada de estas pruebas proporciona un conjunto de datos de vida en fatiga a diferentes condiciones, lo que permite correlacionar la vida en fatiga con la temperatura y el tiempo. 2. Curvas de Vida versus Temperatura: Utilizando los datos experimentales, es posible desarrollar curvas de vida en fatiga versus temperatura para un material específico. Estas curvas representan la vida en fatiga a diferentes temperaturas y proporcionan información para determinar los valores de \ (C \). 3. Ajuste de Datos: A partir de las curvas de vida versus temperatura, se realiza un ajuste de datos para correlacionar la temperatura y el tiempo con la vida en fatiga. Este ajuste permite determinar los valores óptimos de \ (C \) que proporcionan la mejor correlación entre los datos experimentales y la fórmula del parámetro de Larson-Miller. Verificación de los Valores de \ (C \): 1. Comparación con Datos Adicionales: Los valores de \ (C \) determinados a partir de los datos experimentales se verifican mediante la comparación con datos adicionales de fatiga a diferentes temperaturas y tiempos. La capacidad de los valores de \ (C \) para predecir con precisión la vida útil a lo largo de un rango de condiciones de operación es crucial para su verificación. 2. Aplicación en Diseño y Evaluación: Los valores de \ (C \) verificados se aplican en el diseño y la evaluación de componentes a alta temperatura. La capacidad de estos valores para predecir la vida útil de manera precisa y consistente es crítica para su verificación en condiciones de servicio reales. Verificación Continua y Adaptación: El proceso de selección y verificación de los valores de \ (C \) es un proceso iterativo que implica la recopilación continua de datos experimentales, el ajuste de datos y la aplicación de los valores de \ (C \) en escenarios del mundo real. Esta iteración continua es esencial para adaptar y refinar los valores de \ (C \) a medida que se obtiene más información sobre el comportamiento del material. 2.4.4. Relación con la Vida Útil del Material: - ¿Cómo se utiliza el parámetro de Larson-Miller para predecir y evaluar la vida útil a alta temperatura de materiales y componentes en el mundo real? El parámetro de Larson-Miller se utiliza para predecir la vida útil a alta temperatura de materiales y componentes mediante la correlación de ensayos de fatiga a diferentes temperaturas y cargas. Esta correlación permite evaluar la resistencia a la fatiga térmica del material y proporciona una estimación de su vida útil a temperaturas elevadas. La aplicación práctica del parámetro de Larson-Miller implica desarrollar curvas de vida versus temperatura que relacionan la vida en fatiga a una temperatura dada con la capacidad de carga cíclica. Estas curvas suelen ser útiles para evaluar la resistencia y la vida útil de componentes a alta temperatura en el mundo real. Además, el parámetro de Larson-Miller también juega un papel esencial en el diseño y la selección de materiales para aplicaciones a alta temperatura. Al utilizar datos de fatiga a diferentes temperaturas y ensayos de laboratorio, es posible calcular y extrapolar la vida útil del material bajo condiciones de operación específicas. Esto permite realizar evaluaciones preventivas de la degradación del material y adoptar medidas para garantizar la integridad estructural y la fiabilidad de los componentes en entornos de servicio extremos. 2.4.5. Comparación con Otros Métodos: - ¿Cómo se compara el parámetro de Larson-Miller con otros métodos de predicción de vida en fatiga a alta temperatura? El parámetro de Larson-Miller es un método empírico ampliamente utilizado para la predicción de vida en fatiga a alta temperatura. Sin embargo, existen otros enfoques y métodos de predicción de vida útil, cada uno con sus propias ventajas y limitaciones. En comparación con otros métodos, el parámetro de Larson-Miller es notable por su capacidad para correlacionar data de fatiga a diferentes temperaturas y tiempos, y proporcionar una forma simplificada de comparar la resistencia a la fatiga a alta temperatura de diferentes materiales. Esto lo hace especialmente útil para el diseño y la selección de materiales en aplicaciones que involucran altas temperaturas y cargas cíclicas. Otros métodos de predicción de vida en fatiga a alta temperatura incluyen enfoques basados en modelos de daño, análisis de mecánica de fractura, simulaciones numéricas avanzadas, y modelos de crecimiento de grietas, entre otros. Estos métodos pueden requerir un nivel más detallado de información sobre la microestructura del material, características de carga cíclica y condiciones de operación, lo que los hace más complejos en comparación con el enfoque empírico del parámetro de Larson-Miller. Cada método tiene sus propias capacidades y limitaciones, y la elección del enfoque más adecuado dependerá de las necesidades específicas de la aplicación, la disponibilidad de datos experimentales, el nivel de detalle requerido y la complejidad del comportamiento del material a alta temperatura y carga cíclica. En resumen, si bien el parámetro de Larson-Miller es un método valioso y ampliamente utilizado, es esencial considerar otros enfoques de predicción de vida en fatiga a alta temperatura para garantizar un análisis integral y preciso de la resistencia del material en condiciones extremas. - ¿Cuál es la ventaja específica del parámetro de Larson-Miller en comparación con otras técnicas de predicción de vida útil? Comparación con otros modelos La comparación de la representación precisa del parámetro de Larson-Miller con otros modelos y enfoques depende en gran medida de las aplicaciones específicas, las condiciones de operación y las características del material en consideración. Mientras que el parámetro de Larson-Miller ofrece una representación general y estandarizada, otros enfoques específicos y modelos detallados pueden ser más precisos en escenarios específicos. En resumen, el parámetro de Larson-Miller ofrece simplicidad y generalidad en la evaluación de la vida en fatiga a alta temperatura, pero su precisión en comparación con otros modelos y enfoques debe evaluarse en función de las condiciones de operación y las características específicas del material Ventajas del Parámetro de Larson-Miller: 1. Simplicidad y Generalidad: El parámetro de Larson-Miller proporciona una representación simplificada y general de la vida útil a alta temperatura a través de la combinación de la temperatura y el tiempo. Esta simplificación es valiosa para obtener una estimación comparativa rápida y simplificada de la resistencia a la fatiga a diferentes temperaturas y tiempos. 2. Facilidad de Comparación entre Materiales: El enfoque estandarizado del parámetro de Larson-Miller permite la comparación directa de la resistencia a la fatiga a alta temperatura entre diferentes materiales y aleaciones, lo que facilita la selección y evaluación comparativa de materiales. Limitaciones y Consideraciones: 1. Limitaciones en Condiciones No Monótonas: El parámetro de Larson-Miller se basa en la relación entre la temperatura y el tiempo bajo condiciones monótonas de carga, lo que puede limitar su aplicabilidad en condiciones de carga variable, ciclos térmicos complejos, y otros escenarios no monótonos. 2. Sensibilidad a la Composición del Material: Los valores de \ (C \) en el parámetro de Larson-Miller son sensibles a la composición, la microestructura y las condiciones de procesamiento del material, lo que puede requerir ajustes cuidadosos de \ (C \) para reflejar con precisión la resistencia a la fatiga del material en consideración. 2.4.6. Avances Recientes y Áreas de Investigación Futura: - ¿Cuáles son las tendencias actuales en la investigación relacionada con el parámetro de Larson-Miller y la vida en fatiga a alta temperatura? En la actualidad, la investigación relacionada con el parámetro de Larson-Miller y la vida en fatiga a alta temperatura se enfoca en diversas áreas clave que reflejan los avances en la ciencia de materiales y la ingeniería de componentes para aplicaciones a alta temperatura. Algunas de las tendencias actuales incluyen: - Integración de Modelado Multiescala: La integración de técnicas de modelado multiescala que vinculan la microestructura del material con su comportamiento a alta temperatura bajo cargas cíclicas. Esto incluye el uso de simulaciones computacionales avanzadas para predecir la vida en fatiga a nivel microestructural. - Desarrollo de Materiales de Alta Temperatura: El avance en el desarrollo de nuevos materiales y aleaciones que exhiben resistencia a la fatiga térmica mejorada y una vida útil más prolongada a alta temperatura. Esto incluye el diseño de materiales compuestos, materiales con memoria de forma y aleaciones avanzadas para aplicaciones específicas. - Monitorización y Diagnóstico en Tiempo Real: El desarrollo de sistemas de monitorización y diagnóstico en tiempo real para evaluar la integridad estructural y predecir la vida útil de componentes a alta temperatura en entornos operativos reales. Esto podría incluir el uso de tecnologías de sensores avanzados y análisis predictivos. - Aplicaciones en Energías Renovables: La evaluación del comportamiento a alta temperatura de materiales utilizados en tecnologías de energías renovables, como turbinas eólicas, sistemas de almacenamiento de energía y componentes para aplicaciones solares. 2.5 Estudio de casos Para la realización del estudio de casos se estimará la vida remanente en aceros de bajo carbono en los cuales usaremos la formula del parámetro de Larson-Miller para calcular un aproximado de la vida útil de explotación de distintos aceros con un rango de temperatura superior a un 50% de su temperatura de fusión que es el punto de temperatura donde comienza a aparecer el fenómeno de creep. Con el estudio de casos también deseamos dar una estimación aproximada de la temperatura adecuada q debe usar cada material para garantizar unas 100 000 horas de explotación lo cual vendría siendo poco más de 11 años de trabajo. Datos que serán necesarios en el estudio de casos: Parámetro Larson-Miller: LM = T(C+ log10 𝑡)× 10−3 (T en Kelvin, t en horas) C=20 (Valor promedio para acero de bajo carbono) Casos 1-6: Dureza Vickers Para el estudio de los primeros seis primeros casos utilizaremos una tabla de dureza Vickers. (Ver Fig. 2.5) Fig.2.5 Correlación entre dureza y el parámetro de Larson-Miller para aceros 1Cr-1⁄2Mo, 21 4⁄ Cr-1Mo y 9Cr-1Mo.( French,2000 ) Como se aprecia en la figura se puede observar que en el parámetro de Larson- Miller la temperatura está expresada en grados Rankine. (En el caso que se deseara utilizar la temperatura en Kelvin solo sería necesario adaptar la formula a la escala de temperatura deseada, para el caso Kelvin quedaría de la siguiente forma) LM =1.8T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 (Para T en 𝐾, t en horas) Casos 1 y 2: Para los casos 1 y 2 utilizaremos el acero 1Cr-1/2Mo el cual será sometido a dos análisis de vida remanente utilizando los rangos de dureza Vickers indicados en el grafico para un régimen de trabajo de 100 000 horas con el fin de obtener su temperatura optima por encima del 50% del punto máximo del material según el código ASME (649°∁) Caso 1: 1Cr-1 2⁄ Mo (Dureza Alta) Datos: Dureza = 160 HV Parámetro de Larson-Miller: (Lm) =34.5 Temperatura Punto Máximo: 649°𝐶 = 1660°𝑅 𝑡 = 100 000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (11,4 𝑎ñ𝑜𝑠) Despeje: LM =T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 (Para T en °𝑅, t en horas) 34.5 = 𝑇 × (20 + log10 100 000) × 10−3 𝑇 = 1380 °𝑅 Solución del caso: Temperatura de trabajo: 1380 °𝑅 = 493,5°𝐶 76% de la temperatura máxima del material. Caso 2: 1Cr-1 2⁄ Mo (Dureza Baja) Datos: Dureza = 100 HV Parámetro de Larson-Miller: (Lm) =39.5 Temperatura Punto Máximo: 649°𝐶 = 1660°𝑅 𝑡 = 100 000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (11,4 𝑎ñ𝑜𝑠) Despeje: LM =T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 (Para T en °𝑅, t en horas) 39.5 = 𝑇 × (20 + log10 100 000) × 10−3 𝑇 = 1580 °𝑅 Solución del caso: Temperatura de trabajo: 1580 °𝑅 = 604,6°𝐶 93% de la temperatura máxima del material. Casos 3 y 4: Para estos casos utilizaremos el acero 21 4 ⁄ Cr-1Mo el cual será sometido a dos análisis de vida remanente utilizando los rangos de dureza Vickers para un régimen de trabajo de 100 000 horas con el fin de obtener su temperatura optima por encima del 50% del punto máximo del material según el código ASME (649°∁) Caso 3: 21 4 ⁄ Cr-1Mo (Dureza Alta) Datos: Dureza = 260 HV Parámetro de Larson-Miller: (Lm) =34 Temperatura Punto Máximo: 649°𝐶 = 1660°𝑅 𝑡 = 100 000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (11.4 𝑎ñ𝑜𝑠) Despeje: LM =T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 (Para T en °𝑅, t en horas) 34 = 𝑇 × (20 + log10 100 000) × 10−3 𝑇 = 1360 °𝑅 Solución del caso: Temperatura de trabajo: 1360 °𝑅 = 482.4°𝐶 74,3 % de la temperatura máxima del material. Caso 4: 21 4 ⁄ Cr-1Mo (Dureza Baja) Datos: Dureza = 120 HV Parámetro de Larson-Miller: (Lm) =40.5 Temperatura Punto Máximo: 649°𝐶 = 1660°𝑅 𝑡 = 100 000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (11.4 𝑎ñ𝑜𝑠) Despeje: LM =T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 (Para T en °𝑅, t en horas) 40.5 = 𝑇 × (20 + log10 100 000) × 10−3 𝑇 = 1620 °𝑅 Solución del caso: Temperatura de trabajo: 1620 °𝑅 = 627°𝐶 96.6 % de la temperatura máxima del material. Casos 5 y 6: Para estos casos utilizaremos el acero 9Cr-1Mo el cual será sometido a dos análisis de vida remanente utilizando los rangos de dureza Vickers para un régimen de trabajo de 100 000 horas con el fin de obtener su temperatura optima por encima del 50% del punto máximo del material según el código ASME (649°∁) Caso 5: 9Cr-1Mo (Dureza Alta) Datos: Dureza = 280 HV Parámetro de Larson-Miller: (Lm) =36 Temperatura Punto Máximo: 649°𝐶 = 1660°𝑅 𝑡 = 100 000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (11,4 𝑎ñ𝑜𝑠) Despeje: LM =T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 (Para T en °𝑅, t en horas) 36 = 𝑇 × (20 + log10 100 000) × 10−3 𝑇 = 1440 °𝑅 Solución del caso: Temperatura de trabajo: 1440 °𝑅 = 526.85 °𝐶 81% de la temperatura máxima del material. Caso 6: 9Cr-1Mo (Dureza Baja) Datos: Dureza = 190 HV Parámetro de Larson-Miller: (Lm) =41 Temperatura Punto Máximo: 649°𝐶 = 1660°𝑅 𝑡 = 100 000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (11,4 𝑎ñ𝑜𝑠) Despeje: LM =T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 (Para T en °𝑅, t en horas) 41 = 𝑇 × (20 + log10 100 000) × 10−3 𝑇 = 1640 °𝑅 Solución del caso: Temperatura de trabajo: 1640 °𝑅 = 638°𝐶 98.3 % de la temperatura máxima del material. Para el estudio de los siguientes casos utilizaremos el grafico de ruptura por tensión que se muestra próximamente y hallaremos la temperatura ideal para garantizar las 100 000 horas de explotación. Fig.2.6 Gráfico de ruptura por tensión-tiempo de Larson-Miller para el acero 21⁄4Cr-1Mo. (Viswanathan, 1993) Casos 7-10: Tensión Para estos casos utilizaremos el acero 21 4⁄ Cr-1Mo el cual será sometido a dos análisis de vida remanente utilizando los rangos de tensión mínimos indicados en el grafico con un régimen de 100 000 horas con el fin de obtener su temperatura optima por encima del 50% del punto máximo del material según el código ASME (649°∁) Caso 7: 21 4⁄ Cr-1Mo (Min) Tensión =350 Mpa Parámetro de Larson-Miller: (Lm) =15.5 Temperatura Punto Máximo: 649°𝐶 = 922 𝐾 𝑡 = 100 000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (11.4 𝑎ñ𝑜𝑠) Despeje: LM =T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 (Para T en K, t en horas) 15.5= 𝑇 × (20 + log10 100 000) × 10−3 T=620 K Solución del caso: Temperatura de trabajo: 620 𝐾 = 346.85°𝐶 53.4 % de la temperatura máxima del material. Caso 8: 21 4⁄ Cr-1Mo (Min) Datos: Tensión = 95 Mpa Parámetro de Larson-Miller: (Lm) =20 Temperatura Punto Máximo: 649°𝐶 = 922 𝐾 𝑡 = 100 000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (11.4 𝑎ñ𝑜𝑠) Despeje: LM =T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 (Para T en K, t en horas) 20= 𝑇 × (20 + log10 100 000) × 10−3 T= 800 K Solución del caso: Temperatura de trabajo: 800 𝐾 = 526.85°𝐶 81.2 % de la temperatura máxima del material. Caso 9: 21 4⁄ Cr-1Mo (Max) Datos: Tensión = 350 Mpa Parámetro de Larson-Miller: (Lm) =16.5 Temperatura Punto Máximo: 649°𝐶 = 922 𝐾 𝑡 = 100 000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (11.4 𝑎ñ𝑜𝑠) Despeje: LM =T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 (Para T en K, t en horas) 16.5 = 𝑇 × (20 + log10 100 000) × 10−3 T= 660 K Solución del caso: Temperatura de trabajo: 660 𝐾 = 386.85°𝐶 59.6 % de la temperatura máxima del material. Caso 10: 21 4⁄ Cr-1Mo (Max) Datos: Tensión = 95 Mpa Parámetro de Larson-Miller: (Lm) =20.5 Temperatura Punto Máximo: 649°𝐶 = 1660°𝑅 𝑡 = 100 000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (11.4 𝑎ñ𝑜𝑠) Despeje: LM =T×(C+ log10 𝑡)× 10−3 (Para T en K, t en horas) 20.5 = 𝑇 × (20 + log10 100 000) × 10−3 T=820 K Solución del caso: Temperatura de trabajo: 820 𝐾 = 546.85°𝐶 84.2 % de la temperatura máxima del material. Caso 11: Fallo en tubería de sobrecalentador de una caldera acuotubular En este caso analizaremos la temperatura a la cual fue sometido un acero SA 213 T-11 cuya temperatura máxima es de 649 °C (Viswanathan, 1993) según el código ASME para que ocurriese una falla a solo 9 años de explotación. Datos: Di= 39 mm S= 6 mm t= 9 años = 78.840 horas Dureza= 207HV Parámetro de Larson-Miller (LM)= 42.5 Despeje y Solución del caso: LM = 1.8×T(C+ log10 𝑡)× 10−3 42.5 = 1.8 × 𝑇(20 + log10 78,840) × 10−3 𝑇 = 948 𝐾 (675 °𝐶) Esta temperatura está muy por encima de la especificada en el diseño de la tubería, lo cual explica los problemas generados como la excesiva oxidación térmica (la capa protectora formada inicialmente pierde adherencia y empieza a descascararse) y la pérdida de propiedades mecánicas, conducentes a la formación de fisuras longitudinales. El valor calculado de temperatura de operación es un valor promedio que no tiene en cuenta los picos, de temperatura, los cuales pueden llegar a ser mayores debido a la suspensión del flujo de vapor y la baja transferencia de calor ocasionada por los depósitos formados en el tubo. Conclusiones Generales 1- En dependencia de las temperaturas y presiones de operación de los tubos y otros componentes críticos de las centrales térmicas y bioeléctricas de altos parámetros, se concluye que los aceros termoresistentes adecuados para estas instalaciones son los aceros 1Cr-0,5Mo, 1,25Cr-1Mo, 2,25 Cr-1Mo, 9Cr-1Mo y 1Cr-0,3Mo-0,3V. 2- Utilizando los parámetros de operación de los componentes críticos mediante la relación de Larson-Miller se estimó las vidas útiles de los aceros seleccionados, los resultados se corresponden con los de otros autores reconocidos en este campo lo cual indica que es posible estimar las vidas útiles de las instalaciones. Recomendaciones Recopilar e interpretar información acerca de la evaluación de la vida útil de los aceros 1Cr-0,5Mo, 1,25Cr-1Mo, 2,25 Cr-1Mo, 9Cr-1Mo y 1Cr-0,3Mo-0,3V, mediante los parámetros de Larson-Miller y otros métodos. Bibliografia 1.Ángel Rubio-González y Manuel Rubio Rodríguez.2018. Integración y esquemas energéticos para el máximo aprovechamiento de la biomasa cañera en la generación de electricidad. Revista Centro Azúcar, VOL 45, octubre- diciembre, 2018. 2. ASM International, ed. Handbook of Case Histories in Failure Analysis:. Vol. 1. 1992. -- Metals Park Ohio. 3. ASME, B.a.P.V.C., Rules for Construction of Power Boilers, ASME Boiler and Pressure Vessel Committee: , Subcommittee on Power Boilers, Editor. 2007. -- 4. ASME., Boiler and Pressure Vessel Code: . 2004. 4. Babcook & Wilcox Company. Steam its generation and use: . 41 st ed. 2005. 5. French David, D., Failures of Boilers and Related Equipment, Failure Analysis and Prevention: . 2002. -- Metals Handbook ASM. 6. French David, N., Microstructural Degradation: . National Board Bulletin, 1991. 7. French David, N.S.D., Creep and Creep Failures: . National Board Bulletin, 1991. -- 8. French David, N.S.D., The Metallurgy of Power Boilers: . National Board Bulletin, 1990. -- 9. González. 2021. Centrales Térmicas. Dpto. de Termodinámica, Caracas Universidad Central de Venezuela. 10. Guliaev AP. Metalografia.Tommo II, Moscu1983. 11. Hendrix Robert., K.J., P. , Condition Assessment Programs for Boiler and Piping Components at the Big Cajun II Power Station:. Power-Gehn’97 International Conference, 1997. 12. Hovinga, M.N.N., G.J., Standard Recommendations for Pressure Part Inspection During a Boiler Life Extension Program : . Babcock and Wilcox, ICOLM (International Conference on Life Management and Life Extension of Power Plant):, 2000. 13. Ibarra Hernández, e. v., Duffus Scott, a. b. & Réndeles González, R. 2009. Daños asociados a las tuberías de la zona del hogar de las calderas de vapor acuotubulares utilizadas en la Industria Azucarera. Revista Centro Azúcar, 36. 14. King James, P., Recent Experience in Condition Assessment of Boiler Header Components and Supports:. 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ASM International, 1993. – Anexos Anexo 1: El esquema general de una CTV (Enciclopedia CEAC Centrales Eléctricas] 1: Tolva 2: Parrilla móvil 3: Hogar de la caldera 4: Cenicero 5: Depósito de humos 6: Chimenea de tiro natural o forzado 7: Caldera 8: Sobrecalentador 9: TV de alta presión 10: Recalentador intermedio 11: TV de media presión 12: TV de baja presión 13: Condensador 14: Bomba de extracción del condensado 15 y 16: Precalentadores del agua de alimentación 17: Bomba de alimentación de agua 18: Economizador 19: Torre de refrigeración 20; Bomba de circulación del agua de refrigeración 21 y 22: Extracción de vapor de TV de AP y MP 22: Extracción de vapor de TV de AP 23: Generador eléctrico 24: Excitatriz Se puede observar que existen los circuitos: - Circuito del Agua Vapor (azul y rojo) - Circuito de Agua del Condensador (azul) - Circuito de los productos de combustión (gris) - Circuito Eléctrico (amarillo) Anexo 2: Representación esquemática de una CTV de carbón (www.unesa.es] Anexo 3: Gráfico de ruptura por tensión-tiempo de Larson-Miller para el acero 21⁄4Cr-1Mo Anexo 4: Curva de ruptura por estrés y tiempo de Larson-Miller para acero de rotor 1Cr-1Mo-1 4⁄ V Viswanathan(1993) Anexo 5: Correlación entre dureza y el parámetro de Larson-Miller para aceros 1Cr-1⁄2Mo, 21 4⁄ Cr-1Mo y 9Cr-1Mo