5th Pan American Conference for NDT 2-6 October 2011, Cancun, Mexico RÉPLICA METALOGRÁFICA COMO HERRAMIENTA PARA LA DETECCIÓN TEMPRANA E IDENTIFICACIÓN DE MECANISMOS DE DAÑOS METALÚRGICOS Eduardo VEDOVATTI 1 ; Karen PAGOLA 2 Facultad de Ingeniería, Universidad de la República. 565 Herrera y Reissig Av. Montevideo, Uruguay. Phone +598 2711 0744. Fax +598 2711 7435. 1 eduardov@fing.edu.uy, 2 kpagola@fing.edu.uy Abstract Many are the mechanisms of damage that can occur in industrial equipment. This paper shows a brief description of a watertube steam generator with commonly list materials used in each component and analyzes speciall metallurgical damage in this type of generators. Three case studies are presented. The first case is the occurrence of twinned ferrite grains in a pipe belonging to a torsional combustion chamber, resulting from thermal stress caused by an incident of lack of water on the steam generator. The second case is a section of pipe connecting the economizer to the dome that provides corrosion. Finally we analyze the microstructural evolution of various sections of the main steam distribution pipe line, which has carbide precipitation and coalescence, and migration of ferrite grain boundaries, both potentially indications of creep damage. All this shows that the metallographic replica is a very useful tool in detecting, identifying and monitoring metallurgical damage. Keywords: Metalografía, daño, replica. 1. Introducción El generador de vapor es un equipo complejo, sometido a condiciones severas de funcionamiento, cuya demanda de generación no siempre es de régimen estable, con variaciones de presión y temperatura. Los materiales están exigidos no solamente a un estado tensional variable, sino a agentes químicos muy diversos en las paredes externas e internas de los componentes. En el caso de los combustibles de biomasa el regimen de quema es variable, sujeto a condiciones generalmente no estables de: humedad, tamaño, forma, superficie del parti-culado y materia prima. Situaciones particulares se presentan en los casos de quema de licor negro, distintos tipos de hidrocarburos o carbón. Como resultado de ello en los diferentes componentes del generador se producen fallas de muy diversa índole. Muchas de estas fallas están asociadas a las condiciones operativas mientras otras se deben a apartamientos de los parámetros y condiciones recomendados. Los ensayos no destructivos constituyen herra-mientas de información relevante para la evaluación y estudios de integridad de estos equipos, así como para la extensión de vida de los mismos. Las condiciones de economía, seguridad y confiabilidad dependen del diseño, la fabricación y de las buenas prácticas de ingeniería durante el servicio. De las técnicas no destructivas solo la metalografía permite obtener
información sobre la microestructura, lo que posibilita conocer los cambios sobre las propiedades mecánicas de los componentes, los fenómenos que provocaron su degradación asociados a la falla y en varios casos monitorear y evaluar la pérdida de aptitud para el uso. 2. Calderas acuotubulares Según lo establecido en el código ASME una caldera es, la combinación de equipos para producir o recuperar calor, junto con aparatos para transferir el calor disponible a un fluido. Su función principal es proveer de energía, cumpliendo con la satisfacción de los requisitos operacionales necesarios con eficiencia, funcionamiento seguro y vida útil lo más larga posible. En la figura 1, se puede ver un esquema genérico de éste tipo de equipos. La empresa Riley Stoker, basada en una recopilación de datos de 20 años sobre fallas prematuras en generadores de vapor, realizó un estudio estadístico respecto de los tipos de fallas frecuentemente hallados, dicho trabajo permite comprobar que más del 80% de las fallas derivan de la manipulación. Dentro de los componentes de un generador acuotubular, los más críticos son los domos, colectores, tubos y sobrecalentadores y resobreca-lentadores, si los hubiere. Procesos de calentamiento de larga duración, con la aparición del fenómeno de esferoidización y creep, fallas por recalentamiento de corta duración, fatiga térmica, corrosión bajo tensión, fenómenos de corrosión con picado, corrosión generalizada, corrosión en Figura 1 Esquema de un generador acuotubular. rendija, decarburación, ataques por cenizas con contenidos de azufre, ataques por vanadio y sodio, incrustaciones y depósitos, cavitación, erosión, grafitización, son algunas de las múltiples causas de fallas en servicio. En las Figuras 2 a 4 se pueden ver algunos tipos de fallas. Figura 2 Oxidación térmica Figura 3 Daño por Hidrógeno Figura 4 Corrosión grafítica
3. Casos de estudio 3.1. Fatiga térmica Se toman réplicas metalográficas de un tubo de cámara torsional de un generador de vapor acuotubular, del cual no se conocen las condiciones de servicio. El material del tubo corresponde a un acero SA178 de 50,8 mm de diámetro y 3,2 mm de espesor. Se tiene como antecedente que el equipo se quedó sin agua, por tiempo desconocido. En las figuras 5 y 6 se pueden apreciar granos de ferrita y finos carburos distribuidos en la muestra y algunos de mayor tamaño en los bordes de grano. Dentro de algunos granos ferríticos se observa la presencia de maclas con orientación preferencial, las que seguramente se formaran por los excesivos esfuerzos a los cuales ha sido sometido el componente. Los esfuerzos antes mencionados pueden ser producto de sucesivos cambios en las condiciones de servicio, o producto de grandes gradientes de temperatura. 150 µ m Figura 5 Réplica metalográfica. Tubo de cámara torsional. Aumento 144x No es recomendable que luego de un incidente de falta de agua, se haga pasar por el generador agua fría con el fin de bajar la temperatura del mismo. Figura 6 Réplica metalográfica. Tubo de cámara torsional, se indican con flechas las maclas en los granos ferríticos. Aumento 720 x 3.2. Corrosión interganular 20 µ m El componente analizado consta de un ducto de acero perteneciente a una cañería que conecta el último paso del economizador con la alimentación de agua del domo, por donde circula agua líquida a 8 MPa. Tras un incidente de pérdida de agua en por el ducto, se retira el tramo dañado y se realiza análisis metalográfico y se extraen sobre los frentes de fisura, donde la misma no se aprecia a nivel macroscópico, réplicas metalográficas con el fin de comparar el alcance de la técnica con la metalografía común. En la figura 7 se puede observar el tramo de ducto sobre el cual se trabaja y las zonas donde se extraen las réplicas. Analizadas las muestras de réplicas extraídas, se observa que la microestructura presenta granos de ferrita y perlita laminar, uniformemente distribuidos. Además se pone de manifiesto la presencia de una microfisura, la cual
Figura 7 Tramo de cañería extraído. Se indican las zonas donde se extraen las réplicas con círculos rojos. La zona de análisis correspondiente a la Figura 10 se indica en amarillo. se puede observar en las figuras 8 y 9 en esta última, se observa claramente el comportamiento intergranular de la misma. 50 µ m 100 µ m Figura 8 Réplica metalográfica sobre la zona 2. Sobre la izquierda se presenta en forma vertical la microfisura. Las observaciones realizadas coinciden con la información que se obtiene posteriormente del análisis metalográfico realizado sobre la falla. Como se puede observar en la figura 10, efectivamente, la fisura se propaga por los bordes de Figura 9 Idem figura anterior. Se pone de manifiesto el comportamiento intergranular de la fisura. grano. Complementando el análisis metalográfico, se realiza determinación de microdurezas y no obteniéndose valores más elevados en los frentes de fisura que en el resto del material, se descarta la posibilidad de fragilización y se identifica el daño como corrosión inergranular, del cual se desconoce su posible causa.
Figura 10 Micrografía obtenida sobre el componente, en una zona donde es apreciable la falla a simple vista. Presencia de granos completamente separados. 3.3. Precipitación de carburos 50 µ m Es común en aplicaciones industriales de gran porte llevar un control del avance microestructural de componentes que se consideran críticos por sus condiciones de trabajo. Es por este motivo que periódicamente algunas industrias toman réplicas metalográficas de éstos componentes. Se presentan aquí dos muestras extraídas de distintas zonas de una línea de distribución de vapor. La primera de ellas pertenece a un codo y la otra al cuerpo de una válvula. Ambos componentes son de acero al Cromo Molibdeno (se desconoce la especificación) y trabajan a 12,2 MPa y 525 ºC. 20 µ m Figura 12 Idem figura anterior. Presencia carburo muy largo, indicio de coalición de carburos. La microestructura consta de granos de ferrita equiaxiales, carburos dispuestos en forma de granos, carburos dispersos por la matriz ferrítica y carburos precipitados en los bordes de los granos ferríticos. Se observa que los carburos coalecidos precipitados en los bordes de los granos no llegan a formar red continua alrededor de los mismos. 150 µ m Figura 11 Réplica metalográfica obtenida sobre el codo. En las figuras 11 a 14 se ven las imáge-nes obtenidas de las zonas analizadas. 150 µ m Figura 13 - Réplica metalográfica obtenida sobre cuerpo de válvula.
5. Referencias [1] Wiley Salih O. Duffuaa. Sistemas de mantenimiento, planeación y control. Editorial Limusa [2] Ing. Walter Barreto. Calderas, vapor y foguistas. 2ª edición, 2005. Figura 14 - Idem figura anterior. Presencia de carburos de gran tamaño. 4. Conclusiones 20 µ m [3] The Babcock and wilcox company. Sitem its generation and use. 41 st edition, 2005. [4] ASM Handbook Vol. 9. Metallography and microestructures. 8 ht edition, 1998. 4.1. El ensayo de réplicas metalográficas es útil para varios propósitos. Si este ensayo se realiza sistemáticamente en cada parada de planta sobre los componentes más críticos de la instalación, brinda información sobre la evolución de la microestructura de los materiales, y ante un incidente, pone en evidencia posibles daños metalúrgicos. 4.2. Es ampliamente utilizado en industrias de gran porte, puesto que es una herramienta importante para el análisis de vida remanente de los componentes. 4.3. Es conveniente conocer el material sobre el cual se está realizando la réplica, de esa forma se obtienen mejores resultados del análisis. También es recomendable complementar el ensayo de réplicas metalográficas con otro ensayo que se crea necesario, medición de espesores, determinación de durezas u otros, dependiendo de la situación.