INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
“ANÁLISIS TÉCNICO DE VÁLVULAS DE COMPUERTA DE 8” Ø.”
TESIS PROFESIONAL
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO
PRESENTA:
ROBERTO LARA NAVARRO
ASESORES DE TESIS:
ING. DAGOBERTO GARCÍA ALVARADO
ING. ALEJANDRO HIDALGO RIVADENEYRA
NOVIEMBRE DE 2008.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
AGRADECIMIENTOS
Les doy las gracias a mi esposa y a mis hijos por darme ese apoyo y ser el motor que necesite para poder lograr lo que ahorita soy sin ellos yo creo que nunca hubiera logrado esto, mil Gracias por todo cosita y a mis hijos Mauricio y Emiliano. Los amo Primeramente la doy las gracias a Dios por
darme vida y salud por haberme permitido llegar hasta aquí.
A mi Mama y a mi Papa por darme la vida y que siempre creyeron en mi y darme ese apoyo y brindarme esos valores que necesite en el transcurso de la carrera gracias por todo los quiero mucho,. Y espero y no defraudarlos nunca.
A mis hermanos por darme esos consejos que necesiten gracias por todo Omar, Tania y Vero los quiero
A mi familia en general gracias por todo el apoyo que me dieron y me han brindado al igual que mis suegros les doy las gracias y espero y no defraudarlos.
A todos los profesores les doy las gracias por esos conocimientos que me brindaron y que me siguen brindando gracias por todo.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
OBJETIVO ... - 2 -
1. INSPECCIÓN VISUAL Y ENSAYES NO DESTRUCTIVOS ... - 2 -
1.1 BONETES ... - 3 -
1.2 CUERPO DE VÁLVULA 8NPS ... - 4 -
1.3 SISTEMA DE SELLO Y OBTURACIÓN ... - 7 -
2. OBSERVACIÓN MACROSCÓPICA A BONETES ... - 8 -
3. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES ... - 10 -
3.1 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA. ... - 11 -
3.1.1 ACERO DE LOS BONETES ... - 12 -
3.1.2 DEL ACERO DE LOS ELEMENTOS S1 – S4 DEL SISTEMA DE SELLO ... - 13 -
3.1.3 DE LOS ELEMENTOS NO METÁLICOS DEL SISTEMA DE SELLO ... - 14 -
3.2 OBSERVACIÓN MICROESTRUCTURAL ... - 14 -
3.1.1 MICROESTRUCTURA DE LOS BONETES ... - 14 -
3.1.2 ACERO DE LOS ELEMENTOS S1 – S4 DEL SISTEMA DE SELLO ... - 15 -
3.3 CARACTERIZACIÓN MECÁNICA ... - 17 -
3.3.1 PRUEBAS DE DUREZA
... - 17 -
3.3.2 PERFILES DE MICRODUREZA
... - 18 -
3.3.3 PRUEBAS DE TENSIÓN
... - 19 -
3.3.4 PRUEBAS DE IMPACTO CHARPY
... - 20 -
4. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO ... - 20 -
4.1 SOBRE LA ZONA DE FALLA Y MATERIAL DE LOS BONETES ... - 21 -
4.2 DEL RECUBRIMIENTO DE LAS SUPERFICIES DE SELLO ... - 21 -
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... - 22 -
6. MECANISMO DE FALLA. ... - 31 -
7. CONCLUSIONES ... - 35 -
8. RECOMENDACIONES ... - 37 -
ANEXOS ...¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
METODOLOGÍA
1. INSPECCIÓN VISUAL Y ENSAYOS NO-DESTRUCTIVOS 2. OBSERVACIÓN MACROSCÓPICA
3. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES 3.1 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA.
3.2 OBSERVACIÓN MICROESTRUCTURAL.
3.3 CARACTERIZACIÓN MECÁNICA 3.3.1 PRUEBAS DE DUREZA
3.3.2 PERFILES DE MICRODUREZA 3.3.3 PRUEBAS DE TENSIÓN
3.3.4 PRUEBAS DE IMPACTO CHARPY 4. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
6. MECANISMO DE FALLA 7. CONCLUSIONES
8. RECOMENDACIONES 9.
ANECXOS
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
OBJETIVO
Determinar las probables causas que provocaron la falla de tres válvulas de compuerta de 8”Ø instaladas en los cabezales, por la presencia de fuga pequeña en el cuello de los bonetes.
1. INSPECCIÓN VISUAL Y ENSAYES NO DESTRUCTIVOS
Se recibieron en las instalaciones del IPN-CIDIM en la ciudad de México, los tres bonetes retirados, y el cuerpo, los elementos del sistema de sello y obturación de una válvula. Los registros fotográficos de la inspección visual y ensayes no destructivos se adjuntan en el anexo A.
1.1 BONETES
Debido a que los tres bonetes presentan geometría similar, en el cuerpo y en el cuello, se realizó la descripción general, aplicable a los tres elementos. La zona de falla se encuentra ubicada en el cuello del bonete, en esta sección se observó un puerto de inyección de grasa orientado hacia el extremo que presenta el quintado de identificación de fábrica. La fuga se presentó en la superficie del extremo opuesto a este puerto. Se removió la pintura para permitir la identificación visual del punto de fuga, sobre la zona descubierta se reveló una superficie muy irregular con la presencia de protuberancias y relieves por la aplicación de metal con algún proceso de soldadura como se observa en el macro ataque realizado a esta sección. La superficie interna no presentó indicaciones visuales del punto de fuga, por lo que se realizó el ensaye mediante partículas magnetizables de contraste fluorescente, revelando indicaciones internas del tipo grieta en la sección adyacente a un escalón interno que forma la caja del alojamiento del sello.
Las características superficiales de la zona de fuga observadas en cada bonete fueron las siguientes: el bonete identificado como número 1 cuenta con una mayor área de aplicación de soldadura, presenta defectos internos generados durante la fabricación, corresponde al número de colada 10M9519, y fue identificado ver(figura A-01). La indicación del punto de fuga interna presenta la mayor longitud (22 mm aproximadamente) y el punto de fuga por el exterior corresponde con un poro asociado con la aplicación de la soldadura (figura A-02).
El bonete identificado como número 2 presentó la aplicación muy regular de soldadura, formando un círculo de soldadura en la ubicación diametralmente opuesta al barreno de la inyección de grasa, el cual aún conserva el tapón tipo cachucha; la superficie interna presenta defectos de llenado generados durante la fabricación, corresponde al número de colada 10M9516 y fue identificado por el personal de PEMEX (figura A-03). La indicación del punto de fuga interna se ubica al lado de una pequeña protuberancia aproximadamente al nivel de la indicación externa, la cual se conforma de pequeñas
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
grietas capilares aparentemente están relacionadas con porosidad de manera independiente a la soldadura aplicada (figura A-04).
El bonete identificado como número 3 presenta un acabado más regular del metal de soldadura y una aplicación más cargada hacia la base del cuello del bonete, esta muestra no presenta indicaciones de defectos de la superficie interna, solo de un maquinado muy burdo y la línea de partición fuertemente marcada; corresponde al número de colada 10M9502, fue identificado por el personal de PEMEX (figura A-05). La indicación del punto de fuga interna es del tipo grieta aparentemente ramificada y se ubica en la sección adyacente al escalón que forma la caja del alojamiento, aparentemente la indicación en la superficie externa se encuentra sobre el mismo nivel, sin embargo, sobre esta superficie se detectaron pequeñas grietas sobre la soldadura y zona afectada por el calor, orientadas principalmente en la dirección transversal con 90° de diferencia de la orientación de la indicación interna (figura A-06).
1.2 CUERPO DE VÁLVULA DE 8
Al cuerpo de la válvula de 8 marca SUFA, fue sometida a prueba hidrostática (figura A-07), se le retiro el recubrimiento externo con el fin de realizar la inspección visual.
La inspección reveló la presencia de una serie de intervenciones mediante la aplicación metal de aporte por soldadura. En la figura A-08 se muestra el aspecto general de la sección inspeccionada al cuerpo de válvula, se puede apreciar la presencia de reparaciones así como acondicionamiento de la superficie mediante desbaste con esmeril. En la figura A-09 se muestra un acercamiento de la sección inferior del cuerpo, se aprecia aplicación generalizada de soldadura (en el tono gris mas oscuro), resaltando un relleno de soldadura de 80x50 mm. Sobre la zona se observa la presencia de pequeños puntos de soldadura (en el tono de gris más oscuro).
En las figuras A-10 y 11 se muestran dos parches con aporte metálico mediante soldadura de dos parches de sección circular: el inferior es de 55 mm de diámetro y el superior es de 50 mm de diámetro, aproximadamente. Observe al lado derecho de ambos la presencia de puntos de soldadura en tono gris oscuro, al igual que en la fotografía de la figura A-12.
Se retiró mediante corte con disco abrasivo una ventana del cuerpo de válvula (figura A-13) sobre la cara del quintado. El corte reveló la presencia de dos tapones circulares en el interior del cuerpo. En la figura A-14 se muestran acercamientos que revelan detalles de los accesorios con apariencia de “tapones”, de 25 mm de diámetro. En la observación a mayor amplificación del “tapón” circular se pudo apreciar la presencia de un elemento de sección circular (figura A-15). Observe que existe una aparente perdida metálica alrededor del tapón. Se efectuó el corte transversal, con respecto al eje del cuerpo de la válvula, encontrándose que el tapón, en realidad se trata de una placa de 2 mm de espesor, unida a un vástago
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
roscado, con la aplicación externa de soldadura de sello (figura A-16). Las vistas inclinada y de planta muestran los detalles a mayor amplificación del método de fijación de placa (figura A-17). Se aprecia la unión entre las roscas del elemento de sujeción tipo tornillo y el cuerpo de válvula, además de que es evidente que existió falta de metal del cuerpo de válvula alrededor de la unión placa-tornillo. Asimismo se observa que existió algún proceso de oxidación en la sección izquierda del elemento roscado, así como defectos del proceso de aplicación de la soldadura de sello. De acuerdo con las características que presenta este arreglo es posible establecer que se trata del espaciador que mantiene en su posición al corazón empleado en el proceso de moldeo y colada del cuerpo de válvula. Asimismo la observación detallada del mismo indica que: a) existió falta de llenado de metal en esta zona, b) que la temperatura de fusión fue insuficiente, ya que no se logró fundir el vástago roscado esta práctica es común en la fundición, pero necesariamente tanto las dimensiones del espaciador, como la temperatura de vaciado, deberán ser tales que favorezcan la fusión casi total del espaciador dentro del cuerpo de válvula, requiriéndose posteriormente una reparación menor mediante aporte metálico por soldadura.
La figura A-18 muestra la vista interior del cuerpo de la válvula por la sección superior. Se aprecia el exterior de los alojamientos para los asientos del sistema de sello. Se observan las guías de la compuerta sobre el eje vertical. No se detecta en esta vista la presencia significativa de defectos asociados al proceso de manufactura de la válvula. La vista inferior interna del alojamiento para el asiento izquierdo del sistema de sello (figura A-19) reveló la presencia de residuos de arena del corazón de fundición, así como rebabas de la línea de partición del modelo.
En la vista superior interna del alojamiento para el asiento derecho (figura A-20) se detectó la presencia de la vena de lubricación (pequeño orificio señalado en la figura). Se observan las operaciones de maquinado, así como las marcas que dejó el asiento metálico. No se detecta la presencia de defectos de fabricación significativa en esta parte del cuerpo de la válvula.
La figura A-21 muestra los detalles del interior del cuerpo de la válvula por su parte baja, justo por la parte interna debajo del quintado del cuerpo de la válvula. Se aprecian incrustaciones de arena y aparentemente existe la presencia de defectos tipo lineal (flecha amarilla), así como adherencias (flecha roja). Esta sección del cuerpo de válvula no se analizó destructivamente.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Tabla 2. Especificación del material de la válvula compuerta por parte de SUFA
Nomenclatura: TC: carburo de tungsteno ENP: recubrimiento electroless (autocatalítico) de níquel - fósforo
Figura 13. Plano de válvula compuerta (SUFA).
ESPECIFICACIÓN DEL MATERIAL EMPLEADO EN EL SISTEMA DE SELLO Y OBTURACIÓN DE LA VÁLVULA
No. ELEMENTO MATERIAL ESPECIFICADO
3 COMPUERTA ASTM A515 GR. 70+TC+ENP(0.003”)
7 VÁSTAGO AISI 4140+0.001” ENP
18 ANILLO SUPERIOR EMPAQUE PTFE
19 RETEN EMPAQUE 1025
16 ANILLO LINTERNA No.
15 EMPAQUES 3
14 ANILLO INFERIOR EMPAQUE 1025
8 ANILLO SELLO RESPALDO ASTM A182 F6A
4 ASIENTO ASTM A515 Gr. 70+TC+ENP (0.003”)+R-PTFE
6 EMPAQUE “O” VITON
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
1.3 SISTEMA DE SELLO Y OBTURACIÓN
Los elementos del sistema de sello y obturación analizados son: la compuerta, el vástago de accionamiento, los anillos de asiento de la compuerta y el juego de empaques metálicos y no-metálicos que constituyen el sistema de sello del vástago (figura A-22). Las características particulares de cada elemento se describen a continuación.
La compuerta de obturación presenta la superficie de la sección transversal con un acabado irregular obtenido del corte con plasma durante la fabricación, donde algunas zonas, posiblemente de inicio o fin del corte se generaron fuertes discontinuidades (figura A-23). Esta falta de control sobre el acabado de las superficie metálica también se observa sobre la sección maquinada para la sujeción del vástago, donde aún se observa un acabado grueso de la superficie del acero (figura A-24) generado por la herramienta de corte empleada.
En contraste, las superficies principales de la compuerta presentan un acabado con mayor calidad, presenta una superficie con tonalidad gris acero brillante en su mayoría (se aprecia evidencia de oxidación ligera de la superficie), excepto en el perímetro del “bore” y en una sección de diámetro similar ubicada en la parte ciega que permite la obturación del flujo. En estas secciones se observó una franja circunferencial con tonalidad gris oscuro mate, de material diferente a la matriz de la placa (figura A-25), esta superficie que funciona como asiento en e lado de la compuerta; esta capa de material diferente presenta características de baja adherencia y resistencia mecánica ya que ha sufrido fractura localizada y presenta desprendimientos localizados, en algunas secciones se aprecian marcas de contacto, así como marcas de maquinado sin alteración significativa, ver la figura A-26.
El vástago de accionamiento de la compuerta no presenta ataque ni del medio interno o del externo sobre el acero, ni sobre los “O” rings que contiene, es recurrente también en este elemento el acabado grueso de toda la superficie como en las secciones donde fue colocada la marca 053 (figura A-27).
Los dos anillos de asiento analizados presentan características similares, en ambos casos se observa una superficie con tonalidad brillante, excepto en las superficies expuestas al fluido y la superficie de contacto con la compuerta. En la superficie expuesta al medio se aprecia un patrón reticular formado aparentemente por una especie de agrietamiento superficial (figura A-28). La superficie principal del anillo corresponde a la superficie de contacto con la compuerta, en esta sección se observó las siguientes características: 1. La superficie de sello principal presenta una tonalidad oscura discontinua así como marcas de contacto y de desgaste (hay que recalcar que se trata de componentes que provienen de una válvula nueva); 2. Un anillo polimérico de color negro, empleado posiblemente como sello no metálico de respaldo y posteriormente una sección de mayor diámetro con un canal y barrenos para la entrada de la grasa inyectada (figura A-29). En la superficie del sello principal se observa un recubrimiento heterogéneo
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
sobre la superficie de sello, con diferentes tonalidades, y una significativa cantidad de marcas de contacto así como ralladuras superficiales, orientadas en la dirección de la carrera de la compuerta. De forma similar, el anillo no metálico presenta marcas de contacto en la misma dirección de acción de apertura- cierre de la compuerta, así como marcas de sujeción para el desmontaje del mismo en el taller. Este elemento presenta un alto grado de deformación permanente. La superficie restante de esta sección presenta una tonalidad muy homogénea, brillante, sin evidencias de desgaste. De acuerdo con su configuración geométrica es posible establecer que en este sistema el sello no metálico actúa permanentemente, mientras que el sello metálico aparentemente actúa sólo cuando las condiciones de carga de la compuerta ejercen compresión contra el anillo metálico interno (que presenta una ligera elevación con respecto al nivel del resto de la pared frontal del anillo) lográndose establecer contacto entre ambas superficies metálicas.
Los anillos mostrados en la figura A-30 conforman el sistema sello entre el vástago y el bonete de la válvula, presentan una forma de sección transversal en “V” conocida como chevron y su función es expandirse para incrementar su capacidad de sello a medida que aumenta la presión de fluido y así evitar emisiones. A este sistema de sello se le denomina sistema auto energizable, ya que cuado se incrementa la presión contra el sistema de sellos, estos se deforman ejerciendo una mayor presión contra el vástago y la pared interna del cuello del bonete. De acuerdo a su apariencia es posible establecer que se trata de tres materiales diferentes: 1. Anillos de color blanco fabricados en polímero 13 con perfil en
“V” y 1 anillo espaciador con barrenos (colocado a la altura del punto de inyección de grasa), 2. Anillos retenedores en color gris oscuro, uno inferior con presencia de óxido y otro superior, ambos fabricados en acero y 3. Anillo de gris oscuro brilloso, fabricado en grafito laminado.
2. OBSERVACIÓN MACROSCÓPICA A BONETES
La observación macroscópica se llevó a cabo sobre la mitad del cuello del bonete conteniendo las indicaciones, debido a sus dimensiones se seccionó para reducir el espesor y facilitar la exposición de la superficie interna de las indicaciones de la fuga permitiendo observar con mayor detalle y determinar su naturaleza, los resultados se documentaron empleando equipo de fotografía digital, empleando diferentes ángulos de iluminación, las imágenes obtenidas se encuentran en el anexo B.
Se obtuvieron dos tajos de la sección de falla del cuello del bonete, en los tres casos el tajo inferior contiene las indicaciones detectadas mediante partículas magnetizables y el tajo superior corresponde a la sección que contiene los barrenos para la sujeción mediante tornillos (B-01, B-06 y B-10). La sección que contiene las indicaciones se fracturó intencionalmente en el laboratorio para permitir la exposición de la superficie que contenía las presuntas indicaciones reveladas por la radiografía. Debido a lo anterior las fracturas expuestas presentan una fractura con brillo intenso, que corresponde a la fractura provocada
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
intencionalmente, y las zonas mate (o sin brillo), con tonalidad oscura, y que corresponden a las superficies conteniendo los presuntos defectos de la falla.
Debido a la similitud encontrada en las tres muestras analizadas, se realiza la descripción general del mecanismo y sólo se describen características particulares que diferencian a los tres bonetes. De acuerdo con la observación realizada a los tres cortes el fluido siguió una trayectoria ramificada a través del espesor del cuello del bonete, debido a la interconexión entre las discontinuidades el fluido logro difundirse desde la superficie interna a lo largo del espesor de pared hasta alcanzar la superficie externa, donde también existían defectos externos como porosidad y agrietamientos presentes. La superficie de la zona de falla, presentó dos diferentes tonalidades, la primera de tonalidad café pardo cercana a la superficie interna y la segunda de tonalidad negro azulado brillante, cercana a la superficie externa, ambas superficies presentan una morfología de dendritas arborescentes y de glóbulos de dendritas, no se apreció la presencia de patrones de propagación, ni de mecanismos de fractura, como tampoco se observa orientación preferencial relacionada con las marcas internas de maquinado (figuras B-03 – B-04, B-08 – B-09 y B-12 – B-13), por lo que es posible establecer que durante el proceso de fuga no ocurrió la fractura del acero de los bonetes. Asimismo no se apreció propagación desde las superficies con defectos hacia el metal de base sano.
Para el caso del bonete 1 los defectos identificados son micro rechupes y porosidades, y se observaron en ambos tejos del cuello (figura B-01 y B-02); aparentemente la soldadura aplicada fue empleada para reparar la porosidad visible en la superficie debido a que no presenta una penetración mayor a 10 mm y justo en la raíz del cordón se encuentra ubicado un rechupe con una longitud superior a los 5 mm, de acuerdo a la imagen del macro-ataque realizado (figura B-05).
En el bonete 2 el defecto de la superficie externa se presentó la coincidencia de la aplicación de la soldadura de reparación con la presencia de porosidad del acero, presumiblemente la reparación tenía como objetivo el reparar los defectos de este tipo en el meta de base del bonete (figura B-06 y B-07).
Observe que debajo de la soldadura de reparación aun se aprecia porosidad que no fue eliminada por el proceso de reparación.
El bonete 3 presenta conexión entre la indicación interna y los agrietamientos finos generados en la soldadura y zona afectada por el calor (figura B-11), la exposición de esta superficie de falla, reveló la presencia de una masa de soldadura embebida en el acero del bonete, la cual no cuenta con una fusión adecuada con el mismo. La forma irregular de esta masa de soldadura, aún con escoria adherida a la superficie infiere que no fue depositada sobre una cavidad de geometría regular y, presumiblemente, también pudo ser empleada para reparar un defecto del material.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
Los bonetes de la muestra recibida presentan la siguiente descripción:
Identificación DESCRIPCIÓN Y PROCEDENCIA DEL BONETE
COLADA y GRADO
IDENTIFICACIÓN TALLER Bonete 1 VÁLVULA PEINE DE LLEGADA POZO
SEN 118, DEL CABEZAL SEN 95
10M9519
WCB 055-E-08
Bonete 2 VÁLVULA PEINE DE LLEGADA POZO SEN 101, DEL CABEZAL SEN NORTE
10M9516
WCB 053-E-08
Bonete 3 VÁLVULA PEINE DE LLEGADA DISPONIBLE 7, CABEZAL SEN 95
10M9502
WCB 054-E-08
Figura 15. Aspecto general de las muestras analizadas.
El siguiente conjunto de elementos ha sido denominado sistema de sello y obturación:
Identificación
DESCRIPCIÓN DEL ELEMENTO
S1 Compuerta de obturación de la válvula, con superficies de asiento fabricadas con material diferente a la matriz de acero.
S2 Vástago de accionamiento de la compuerta, roscado en un extremo para la interacción con el volante.
S3 Anillos de asiento de la compuerta con presencia de sello suave sobre la superficie de contacto.
S4
S5 Juego de anillos metálicos y no-metálicos con perfil de chevron, correspondientes al sello de la parte superior del bonete y el vástago.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Figura 16. Aspecto general de las muestras analizadas.
La nomenclatura ocupada en el análisis para la identificación de probetas se conforma del consecutivo interno correspondiente al trabajo:, más B1, B2 ó B3 según el bonete o S1, S2, S3, S4 ó S5 según el elemento del sistema que corresponda y la terminación en un número consecutivo cuando se trata de un lote de probetas.
3.1 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA.
Se analizó la composición química del acero de los tres bonetes y de los componentes metálicos del
sistema de sello, las técnicas empleadas para el análisis fueron: combustión directa para el carbono (C) y
azufre (S), colorimetría para el fósforo (P) y espectrofotometría de absorción atómica para el resto de los
elementos analizados. Los resultados obtenidos se presentan en la tabla 3.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3.1.1 ACERO DE LOS BONETES
La composición química del acero de los tres bonetes fue evaluada con los requisitos de composición química establecidos por la especificación ASTM A216 Gr. WCB y contra la composición química reportada en el certificado del material.
Tabla 3. Composición Química del Acero de la Muestra E1.
Elemento Bonete 1 Bonete 2 Bonete 3 Elemento ASTM A216 WCB
Colada 10M9519
Colada 10M9516
Colada 10M9502
C 0.22 0.22 0.16 C máx. 0.30 0.21 0.21 0.22
Mn 0.95 0.88 0.75 Mn máx. 1.00 0.81 0.79 0.78
Si 0.45 0.45 0.32 Si máx. 0.60 0.37 0.37 0.41
P 0.024 0.028 0.022 P máx. 0.04 0.018 0.017 0.016
S 0.018 0.024 0.016 S máx. 0.045 0.018 0.016 0.019
Cr 0.03 0.03 0.04 Cr máx. 0.50 0.072 0.077 0.075
Ni 0.03 0.02 0.02 Ni máx. 0.50 0.077 0.084 0.071
V 0.00 0.00 0.00 V máx. 0.03 0.012 0.011 0.011
Ti 0.00 0.00 0.00 - - -- -- --
Nb 0.00 0.00 0.00 - - -- -- --
Cu 0.07 0.05 0.03 Cu máx. 0.30 0.064 0.064 0.059
Mo 0.003 0.002 0.002 Mo máx. 0.20 0.024 0.027 0.025
La composición química del acero de los tres bonetes se encuentra dentro de los máximos establecidos en ASTM A216 para el grado WCB, sin embargo, la composición que presentan contiene mayor porcentaje de fósforo y azufre y menor contenido de elementos de aleación, además de no contener vanadio como lo reportan en el certificado, lo anterior puede ser atribuido a las técnicas de análisis empleadas, que la espectrofotometría de absorción atómica presenta mayor resolución para este elemento que la espectrofotometría de emisión óptica, típicamente empleada en la industria de la fundición.
La tabla 4 muestra el valor del carbono equivalente para la composición química determinada de cada una de las muestras empleando las siguientes ecuaciones:
15 ) (
5 )
(
Cr+
Mo+
V+
Ni+
Cu+
+
= 6
C Mn CE
(IIW)10 5B V 15 Mo 20 Cr 60 Ni 20 Cu 20 Mn 30 C Si
CE(Pcm)
= + + + + + + + +
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Tabla 4. Carbono Equivalente del Acero de la Muestra
Muestra CE (IIW) CE (Pcm)
Bonete 1 0.39 0.29
Bonete 2 0.38 0.28
Bonete 3 0.30 0.21
ASTM A216 Gr. WCB 0.50 ---
El contenido de carbono equivalente determinado para la composición química de los tres bonetes se encuentra dentro de los lineamientos establecidos por ASTM A216 para el grado WCB.
3.1.2 ACERO DE LOS ELEMENTOS S1 – S4 DEL SISTEMA DE SELLO
La composición química del acero de los cuatro elementos metálicos (S1 – S4) del sistema de sello, fue evaluada con los requisitos establecidos por las especificaciones ASTM A515 Gr.70 para la compuerta y anillos de asiento y AISI 4140 para el acero del vástago; asimismo esas composiciones fueron comparadas con los contenidos declarados en el certificado del material emitido por SUFA.
Tabla 5. Composición Química del Acero de los elementos.
Elemento S1 S2 S3 S4 Elemento
ASTM A-515 Gr. 70
Certificado SUFA ASTM A-515
Certificado SUFA AISI 4140 AISI 4140
C 0.160 0.410 0.240 0.230 C máx. 0.33 0.22 0.38-0.43 0.41
Mn 1.480 0.660 0.850 0.900 Mn 1.30 máx. 0.74-0.82 0.75-1.00 0.75 Si 0.330 0.270 0.340 0.300 Si 0.13-0.45 0.21-0.24 0.15-0.35 0.18 P 0.017 0.021 0.021 0.019 P máx. 0.035 0.015-0.021 0.025 0.018
S 0.008 0.011 0.010 0.012 S máx. 0.035 0.018 0.025 0.019
Cr 0.023 0.980 0.024 0.037 Cr máx. --- --- 0.80-1.10 0.95
Ni 0.014 0.021 0.009 0.010 Ni máx. --- --- 0.25 ---
V 0.000 0.000 0.000 0.000 V máx. --- --- --- ---
Ti 0.012 0.000 0.000 0.000 Ti máx. --- --- --- ---
Nb 0.000 0.000 0.000 0.000 Nb máx. --- --- --- ---
Cu 0.011 0.012 0.012 0.012 Cu máx. --- --- 0.35 ---
Mo 0.008 0.200 0.000 0.000 Mo máx. --- --- 0.15-0.25 0.22
El acero de las cuatro muestras cumple con los requisitos de composición química establecidos por la especificación correspondiente, excepto para el acero de la compuerta y del vástago, los cuales no cumplen con el contenido permitido de manganeso de su respectiva especificación. La compuerta (S1) presenta un contenido excesivo de manganeso, mientras que el vástago (S2) presenta un contenido menor de manganeso.
La comparación de esta composición con la reportada en el certificado del material arrojó como resultado fuertes inconsistencias en los contenidos de manganeso y silicio para el acero de la compuerta (S1),
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
carbono, manganeso y silicio para el acero del vástago (S2) y carbono, manganeso y silicio para el acero de los asientos (S3 y S4).
3.1.3 ELEMENTOS NO METÁLICOS DEL SISTEMA DE SELLO
La caracterización de los elementos no metálicos del sistema de sello, se llevó a cabo mediante Espectrofotometría Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR) empleando la técnica de Reflectancia Difusa. Los espectros obtenidos se presentan en el anexo C.
La figura C-01 corresponde al espectro obtenido del material con el que está fabricado el anillo blanco en forma de chevron del sello del vástago (S5) y la figura C-02 corresponde al espectro obtenido del material con el que está fabricado el anillo negro empleado como sello suave de respaldo en los asientos (S3 y S4). La correlación de los espectros obtenidos (figuras C-01 – C- 02) con los datos de bibliografía, indica como materiales probables los mostrados en la tabla 6
Tabla 6. Resultados de la correlación con la librería de FTIR.
Muestra Descripción Designación Correlación (%)
S3 y S4 Anillo negro
Teflón 30 dispersión 75
Teflón 74
Poly (tetrafluroethylene) 65
Flurocarbon 64
Tetrafluoroethylene monopolymer 56
S5 Anillo chevron blanco
Teflón 60Thermolite 831 (atochem) 45
La mejor correlación indica para ambas muestras al Teflón o variantes de este, como material constituyente.
3.2 OBSERVACIÓN MICROESTRUCTURAL
Se llevó a cabo la observación microestructural del acero de la muestra del bonete 1 al 3, así como de la compuerta (S1), vástago (S2) y los anillos de asiento (S3 y S4) mediante técnicas de metalografía estándar y microscopía óptica siguiendo los lineamientos descritos en ASTM E3-01. Las figuras representativas de los elementos observados se presentan en el anexo D.
3.2.1 METALOGRAFÍA DE LOS BONETES
Se emplearon probetas metalográficas para analizar la composición macro y microestructural de los tres bonetes. El arreglo de la figura D-01 muestra una macroestructura de solidificación, con un tamaño de grano austenitico previo grueso determinado cualitativamente, así como la presencia de segregación química central, la cual promueve un mayor contenido de perlita en la sección media del espesor, contenida en una matriz de ferrita de morfología acicular en su mayoría. Por otro lado, las figuras D-02 y
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
D-03 muestran el esquema de composición macro y microestructural del acero del bonete 2 y 3 respectivamente, con características muy similares entre sí, formadas por una macroestructura dendrítica proveniente del proceso de solidificación, y que promovió la segregación interdendrítica de carbono y manganeso, lo que generó una microestructura con islas de ferrita rodeadas de una red de perlita. La diferencia más representativa entre ambas estructuras corresponde al menor contenido de perlita del bonete 3, lo cual es congruente con la composición química determinada.
Adicionalmente se obtuvieron secciones macroatacadas de la zona de la soldadura de reparación del cuello del bonete, las imágenes obtenidas se observan en la figura 17.
Figura 17. Secciones macroatacadas de los tres bonetes. S es la identificación de la soldadura. En todas las imágenes el diámetro interno del cuello del bonete esta a la izquierda.
Los resultados del macroataque realizado a estas superficies revelaron en los tres bonetes una penetración máxima de 10mm de la soldadura aplicada para el bonete 1 y de solo 5 mm para el caso de los bonetes 2 y 3, sin embargo se observa que para su aplicación se empleó una gran cantidad de calor debido a los cambios provocados en la macroestructura.
3.2.2 METALOGRAFÍA DE LOS ELEMENTOS S1 (COMPUERTA) – S4 (VÁSTAGO).
La figura D-04 corresponde a la microestructura representativa del acero con el que está fabricada la compuerta (S1), esta microestructura se encuentra constituida por una matriz bainítica con regiones aisladas de ferrita y agujas de martensita, presenta además bandas de segregación química revelada por el mayor contraste generado con el microataque.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Asimismo, la microestructura representativa del acero del vástago (S2) esta conformada por una matriz de bainita fina, con granos aislados de ferrita, se aprecian bandas de macro segregación química, asociadas al procesos de fabricación del acero (figura D-05), las características microestructurales observadas sobre la sección transversal del elemento (figura D-06) presenta características congruentes con la sección longitudinal.
Los anillos de asiento de la compuerta (S3 y S4), presentan una composición microestructural muy similar, aunque con variaciones principalmente en el tamaño de grano. Las características principales de esta microestructura describen una matriz ferrítica parcialmente recristalizada con dispersión de perlita, ambas fases con tamaño de grano fino; en particular la muestra S3 presenta una microestructura orientada en la dirección radial, que en la muestra S4 no es tan evidente (figuras D-07 – D-08).
Tabla 7. Resumen de Fracción Porcentual de Fases Muestra Ferrita
(%)
Perlita (%)
Desviación Estándar (%)
Tamaño de grano ASTM
S3 72.73 27.27 1.57 8.4
S4 77.83 22.17 1.69 7.8
La figura D-09 corresponde al perfil macro y microestructural de la interfase metal-recubrimiento del elemento S1, obtenido de la sección transversal de la superficie externa adyacente al “bore” de la compuerta y corresponde a la superficie de contacto con el asiento, donde se observa la capa de material depositado de 0.007” aproximadamente de espesor, que macroscópicamente forma una franja perimetral de esta sección. Presenta características de aplicación deficiente como la falta de adherencia, generando un espacio anular entre el deposito y el acero, así como baja resistencia mecánica, que se percibe debido a la presencia de agrietamientos. Cabe señalar que la superficie del acero por debajo del depósito presenta un composición microestructural muy similar a la de toda la placa y no se observan evidencias de afectación térmica significativa a la estructura templada.
Las superficies de contacto de los anillos con la compuerta también fueron analizadas macro y microestructuralmente (figura D-10) identificando la matriz de acero en el cuerpo del anillo y un recubrimiento de aproximadamente 0.0003” de espesor que se encontró sobre toda la superficie y es responsable de la tonalidad más brillante observada macroscópicamente, sin embargo, la superficie de asiento primario (entre la orilla y la caja del sello de teflón) no presenta restos significativos que indiquen la presencia de este material, así mismo, sobre esta sección se encontró la presencia de un depósito de otra naturaleza pero ubicado principalmente en la esquina biselada de esta sección. Desafortunadamente no es posible evaluar el tamaño o la integridad con el que inicialmente contaba este depósito.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3.3 CARACTERIZACIÓN MECÁNICA 3.3.1 PRUEBAS DE DUREZA
Se realizaron pruebas de dureza en cada uno de los bonetes siguiendo los lineamientos descritos en la norma ASTM E10, utilizando un durómetro Brinell de capacidad de 4500Kg. Las condiciones de prueba fueron: 3000 Kg de carga total, empleando un indentador esférico de 10mm. En el ensaye se tomaron 10 lecturas. En el sistema de sello se emplearon ensaye Rockwell B (ASTM E-18) para los anillos de asiento (S3 y S4), Rockwell C (ASTM E-18) para el acero del vástago (S2) y el ensaye Brinell (ASTM E-10) para el acero de la compuerta (S1). Las mediciones en cada probeta fueron ubicadas en la sección transversal (excepto S2 donde también se ensayó la superficie externa) de las muestras y los resultados fueron transportados a la escala Brinell (HBN) de acuerdo con los lineamientos establecidos en ASTM E140, el resumen de la caracterización se presenta en la Tabla 9.
Tabla 8. Resultados de dureza de acuerdo con ASTM E18.
Muestra HRC HRB HBS HBN HBN
Certificado
B1 --- --- 150.0 150.0
175.0
B2 --- --- 126.0 126.0
171.0
B3 --- --- 115.0 115.0
169.0
S1 --- --- 240.2 240.2 --
S2 Superficie 25.1 --- --- 240.1 --
S2 Centro 24.6 --- --- 235.1 --
S3 --- 75.9 --- 139.1 ---
S4 --- 76.7 --- 140.9 ---
La dureza del acero de los bonetes se observa considerablemente más abajo que la dureza que reporta el certificado del material. En tanto que la dureza de los elementos del sistema de sello es congruente con la microestructura encontrada. El vástago presenta una dureza superior a la solicitada de 22 HRC, máximo (por recomendación NACE MR0175/ISO 15156).
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3.3.2 PERFILES DE MICRODUREZA
Se realizaron ensayes de microdureza sobre diferentes zonas de la muestra, siguiendo los lineamientos establecidos en ASTM E384-05a, empleando un microdurómetro marca Future Tech, modelo FM-7, con carga de indentación 100 gf y tiempo de aplicación 12 s.
3.3.2.1 MICRODUREZA EN LA ZONA DE REPARACIÓN DE BONETES
Se midió el perfil de durezas en la zona de reparación de cada uno de los bonetes empleando el ensaye de microdureza en tres niveles; sobre Metal Base – ZAC – Soldadura. Los resultados se muestran en el anexo E.
Tabla 9. Perfil de microdureza de la en zona de reparación de bonetes
Muestra PROMEDIO HV/0.1kgf
MB
ZACSOLD
B1
158.5 160.0 179.8 B2 183.1 208.8 247.8
B3136.3 148.9 156.9
3.3.2.2 MICRODUREZA EN CAPAS DE RECUBRIMIENTO DE ANILLOS DE SELLO
Las zonas ensayadas de los elementos del sistema de sello fueron la capa homogénea de recubrimiento superficial de los anillos de asiento (S3 y S4) y la franja de depósito sobre la compuerta, y las secciones de metal de base adyacentes a la interfase metal-recubrimiento, los resultados obtenidos se presentan en la tabla 10 y 10-A.
Tabla 10. Perfil de microdureza de la capa superficial de recubrimiento y acero en S3 y S4.
Elemento Esquema de Ubicación Zona HV/0.1kgf
Recubrimiento Metal
S3
I 233.2 175.2
II 281.5 186.7
III 285.4 144.7
S4
I 265.6 174.4
II 308.4 144.6
III 315.4 150.2
Tabla 10-A. Microdureza del elemento S1.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
ELEMENTO ZONA Promedio HV/0.1kgf
S1 Depósito 413.2
3.3.3 PRUEBAS DE TENSIÓN
Las propiedades mecánicas del acero de la brida, se evaluaron en una máquina electromecánica marca SHIMADZU instrumentada con un extensómetro de longitud; siguiendo los lineamientos generales descritos en ASTM E-8-04 y de acuerdo con la especificación ASTM A216. Los resultados se muestran en las tablas 11 y las gráficas representativas en el Anexo F.
Tabla 11. Resistencia Mecánica de los tres bonetes (ASTM E8-04).
Muestra qt e
(%)
Esfuerzo de Cedencia
t
(%)
Resistencia a la Tensión
(MPa) (psi) (MPa) (psi)
B-11 45% 30% 265 38,465 484 70,238
B-12 32% 24% 276 40,029 482 69,891
Promedio(a) 38% 27% 269 39,000 483 70,000
Colada 10M9519 37% 28% 319 --- 514 ---
B22 57% 38% 250 36,260 434 62,933
B23 49% 33% 267 38,697 430 62,288
Promedio(a) 53% 36% 255 37,000 434 63,000
Colada 10M9516 38% 28% 309 --- 518 ---
B-31 32% 30% 264 38,287 486 70,474
B-32 35% 31% 267 38,676 491 71,243
Promedio(a) 34% 31% 262 38,000 489 71,000
Colada 10M9502 39% 27% 315 --- 515 ---
ASTM A216 Gr. WCB 35% 22% 250 mín. 36,000 mín. 485 a 655 70,000 a 95,000
(a) Valor redondeado de acuerdo a los lineamientos establecidos en ASTM E-29.
La resistencia mecánica evaluada del acero de los tres bonetes cumple con los requerimientos establecidos en ASTM A216 GR. WCB, excepto para el bonete 2, el cual no cumple con el mínimo establecido de esfuerzo último a la tensión de 70ksi. Así mismo, la comparación de la resistencia obtenida con los valores reportados en el certificado del material correspondiente a cada bonete, muestra 50 MPa en promedio, por debajo de la cedencia especificada y 30 MPa por debajo del UTS, especificados en el mismo documento.
DEPÓSITO
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
3.3.4 PRUEBAS DE IMPACTO CHARPY
La tenacidad relativa del metal de los tres bonetes se determinó mediante el ensaye de impacto Charpy, siguiendo los lineamientos establecidos en las normas ASTM E23 y ASTM A370 con probetas de sección completa. Se ensayó la dirección: TC buscando evaluar la tenacidad simulando la dirección de
propagación de una potencial grieta; las temperaturas utilizadas fueron 23 y 90ºC. Los resultados se muestran en la tabla 12.
Tabla 12. Tenacidad relativa de los tres bonetes (ASTM E23-04).
PROBETA
Temperatura de prueba
(ºC)
Energía promedio
(lb*ft)
Energía promedio
(J)
Fractura Frágil promedio
(%) BONETE 1
B1-1
23.0 46.27 62.74 61.5
B1-2 B1-3
90.0 92.18 124.98 1.0
B1-4
BONETE 2 B2-1
23.0 10.48 14.21 94.5
B2-2 B2-3
90.0 48.80 66.17 38.0
B2-4
BONETE 3 B3-1
23.0 17.35 23.53 93.5
B3-2 B3-3
90.0 56.39 76.46 46.0
B3-4
La tenacidad relativa determinada mediante la prueba de impacto Charpy arrojó mayor tenacidad y ductilidad (entre el 38 y 99%) para el acero del bonete 1. Los bonetes 2 y 3 demostraron la menor tenacidad a las diferentes temperaturas ensayadas, así como baja ductilidad, con fracturas que no superan el 60% de ductilidad aún a la mayor temperatura utilizada en el ensaye.
4. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO
Se llevo a cabo la observación mediante microscopia electrónica de barrido sobre las superficies de fractura obtenidas de las pruebas de impacto Charpy, las superficies de los defectos en los bonetes, las superficies de contacto de los anillos y de la compuerta, donde se observó el depósito de un material diferente. Durante el análisis se identificó la composición química cualitativa de aquellas regiones donde se observaron macroscópicamente diferentes tonalidades sobre la superficie. Para el análisis se utilizó un
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
microscopio marca JEOL, modelo JSM-6300 equipado con detector de rayos X para la obtención de espectros de microanálisis. Los resultados se muestran en el anexo G.
4.1 MEB SOBRE LA ZONA DE FALLA Y MATERIAL DE LOS BONETES
Se seleccionaron probetas representativas del comportamiento del acero en el bonete 1 y del bonete 3 a las dos temperaturas ensayadas. El comportamiento a 25°C el acero del bonete 3 presenta una fractura principalmente frágil con propagación mediante el mecanismo de clivaje, en contraste con el acero del bonete 1 que presentó un mecanismo de fractura frágil por clivaje con zonas aisladas de propagación dúctil. Así mismo, la superficie de fractura obtenida a la temperatura de ensaye de 90°C presentó un mecanismo de fractura mixta, principalmente dúctil con zonas de clivaje para el acero del bonete 1, en comparación con el comportamiento del bonete 3 con mayor proporción de zonas de fractura por clivaje además de la presencia de zonas microscópicas de crecimientos globulares que representan zonas de baja cohesión, asociadas a la presencia microscópica de defectos de solidificación (figuras G-01 – G-05).
El análisis sobre las tres superficies de fractura respectivamente (figura E-06-E-09) reveló una morfología de la zona de falla 100% dendrítica con crecimientos arborescentes y globulares, las dos zonas con tonalidades diferentes no presentaron composiciones cualitativas muy diferentes entre sí y contienen depósitos formados, en su mayoría, por óxido de hierro; el aluminio y el silicio observado corresponde a la elevada presencia de partículas de tonalidad blanca correspondientes con óxido de silicio y aluminio que pueden provenir de la escoria generada en el proceso de fusión del acero, salvo para el caso del bonete 3 el cual además presentó elementos como el titanio provenientes de la escoria generada por el proceso de soldadura con electrodo revestido.
4.2 MEB DEL RECUBRIMIENTO DE LAS SUPERFICIES DE SELLO
El análisis químico cualitativo del material depositado en la franja superficial de la muestra S1, indicó tanto en la sección de planta como la sección transversal, a los elementos tungsteno y cobalto como constituyentes, mientras que la superficie adyacente a este material, corresponde a la matriz de acero de la compuerta y presenta elementos típicos Fe, Si, Mn, además de la presencia de oxigeno por efecto de la evidente oxidación superficial, aún cuando macroscópicamente se observa un brillo intenso sobre parte de la superficie de la compuerta, los espectros de microanálisis químico no identificaron elementos distintos al hierro, silicio o manganeso de la superficie adjunta, siendo la única diferencia, la ausencia de oxígeno (figura G-10 – G-12). Así mismo en la sección transversal se aprecia el espesor de la capa de recubrimiento de un espesor aproximado de 180μm (figura G-13).
Sobre los elementos S3 y S4 se analizó la composición cualitativa del recubrimiento en dos zonas de la sección adyacente al sello principal (figura G-13 y G-15) encontrando recurrentemente los elementos níquel y fósforo como constituyentes. Se analizó también la composición química cualitativa de la
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
superficie de sello principal, donde el contraste composicional reveló en primera instancia una fuerte heterogeneidad de los elementos presentes y zonas con mayor contenido de tungsteno y cobalto (figura G-14, G-16 y G-17), particularmente ubicadas hacia la orilla de la muestra sobre los biseles maquinados durante la fabricación, este es el lado contrario al diámetro interno del anillo.
La zona analizada en las figuras G-14 y G-16 fue elegida aleatoriamente, sin embargo, debido a las características macroscópicas observadas de esta superficie de asiento, fue necesario seleccionar dos probetas más para otorgar mayor representatividad al análisis. Las probetas adicionales se habilitaron de secciones equidistantes con respecto a la posición de la probeta inicial y el análisis también presentó heterogeneidad en el recubrimiento. Se determinó una proporción aparente de cada recubrimiento, con base en la relación de área superficial detectada por microanálisis y observación en electrones retrodispersados, aproximadamente de 2:2:1 para Fe, W-Co y Ni-P, respectivamente (figuras G-18 – G- 20).
Los aspectos principales de la morfología de los depósitos en las tres probetas evaluadas en la cara de los anillos del sello, en contacto con el recubrimiento de la compuerta, son: 1. Depósito discontinuo con zonas localizadas sobre depósitos con tonalidad gris y aspecto liso formado por Ni-P (figura G-21). 2.
Micro-huecos en gran cantidad, conteniendo compuestos con hierro y oxígeno (figura G-22). 3.
Aglomerados con morfología irregular y tamaño de alrededor de 1 a 2μm, ricos en tungsteno y cobalto, con una pequeña cantidad de aluminio (figura G-23). 4. Existen zonas donde no hay superficie de acero expuesta, y donde el recubrimiento presenta una superficie muy regular, sin relieves significativos, pero con presencia de “islas” de W-Co o Ni-P, como se observa en la figuras G-24 y G-25.
De acuerdo con lo anterior es posible establecer que el depósito de carburo de tungsteno es heterogéneo en la zona de contacto del anillo de sello con la compuerta, é inclusive hay zonas del anillo de sello que no cuentan con él. Con la evidencia recolectada no es factible establecer si el depósito auto catalítico de níquel – fósforo se aplicó antes o después del recubrimiento de carburo de tungsteno.
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS INSPECCIÓN VISUAL
1. No se observó en ningún bonete evidencia de corrosión interna o externa que interactuara con el mecanismo de falla.
2. La aplicación de soldadura en la zona de falla de las tres muestras fue aplicada para reparar defectos generados durante el proceso de colada. En ancho excesivo de las zonas afectadas por el calor (ZAC), indican que el metal de aporte fue aplicado con una gran cantidad de calor, lo que promovió la formación de agrietamientos tanto en el metal de aporte como en el metal del bonete. A pesar de la gran cantidad de calor empleada en las reparaciones, la soldadura presentó zonas de
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
fusión incompleta, particularmente en el bonete 3, donde el depósito de soldadura quedó como una masa de metal inmersa en la geometría previa del defecto.
3. La superficie interna de los bonetes en la zona de falla presentó una gran cantidad de microrrechupes de solidificación, con morfología dendrítica, con un alto grado de interconexiones entre sí. En estas zonas también se observó porosidad proveniente del proceso de colada.
4. . La observación fractográfica mostró que la fuga siguió el contorno de la interconexión de los microrrechupes. No se observaron evidencias de inicio ni propagación de mecanismos de fractura desde los defectos de solidificación hacia el metal sano.
5. Las diferentes tonalidades observadas en las superficies de asiento de la compuerta y anillos se deben a la presencia de materiales depositados superficialmente para modificar las propiedades locales de los elementos. Sin embargo estos presentan deficiencias de aplicación, ya que se han desprendido por falta de adherencia, para el caso de la compuerta y aparentemente se han desgastado para el caso de los anillos.
6. El sello no metálico ubicado en los anillos, está constituido por un aro de polímero, el cual presenta un alto grado de deformación permanente. Este sello presenta evidencia de desgaste prematuro y daño mecánico, debido la zona de obturación de la compuerta contiene residuos de este material, adheridos a su superficie, dejando una marca de obturación parcial.
7. El vástago no presentó indicios de interacción o reacción alguna entre el metal y el medio ambiente.
INSPECCIÓN VISUAL AL CUERPO DE VÁLVULA 8
8. De acuerdo con los resultados obtenidos en la inspección visual del cuerpo de válvula 8 NPS, marca SUFA, colada no. 10M9415, instalada en el peine de llegada del pozo Sen 118 al cabezal Sen 95, la presencia de un elemento en forma de tapón, formado por una placa circular unida a un elemento roscado, obedece al empleo de sujetadores utilizados para impedir el movimiento y flotación del corazón en la fundición del cuerpo de la válvula. De acuerdo con la práctica estándar de fundición con corazones, estos elementos se consideran fusibles, es decir deberán fundirse al hacer contacto con el metal líquido que entra a la cavidad del molde durante el vaciado. Por lo que se deberá considerar su espesor y diámetro, y ser de composición química compatible con el metal a colar, a fin de lograr su disolución total a la temperatura de vaciado de las piezas.
La figura 18 presenta el esquema de un molde conteniendo un corazón que esta siendo soportado por un par de sujetadores ó espaciadores.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Figura 18. Esquema de un arreglo típico de corazón de fundición con espaciadores o sujetadores (a).
La fase de acabado de la fundición consiste en reparar la zona externa del componente en aquellos casos donde no se alcanzó a fundir completamente el espaciador, o se generó cualquier discontinuidad en la pared externa del cuerpo de la válvula. Para ello se elimina el defecto removiendo la cantidad de material conforme a la normativa aplicable, se inspecciona la cavidad y se rellena mediante soldadura empleando procedimientos y personal calificados. Finalmente se realiza la inspección no destructiva, con el fin de corroborar que se ha eliminado la discontinuidad totalmente y en su lugar se ha efectuado una reparación libre de defectos.
En el presente trabajo, el seccionamiento de los defectos detectados en el interior del cuerpo de la válvula mostró que los espaciadores no alcanzaron a fundirse, debido a que el metal no alcanzo a llenar esta posición del molde, generando una falta de material alrededor del espaciador. Lo anterior significa que el colado del metal se realizó a baja temperatura, como se aprecia en la figura 19.
Adicionalmente, en la misma figura, es posible apreciar que el proceso de reparación generó defectos en la soldadura (señalados con flechas).
(a)
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Figura 19. Falta de fusión del espaciador, falta de llenado de metal de colada y defectos de soldadura en la reparación.
Los defectos de fundición presentados en la figura 20, tales como pliegue frío y falta de llenado del molde, detectados durante el desensamble de uno de los cuerpos de válvula, corroboran que el proceso se efectuó a una temperatura de vaciado baja.
Figura 20. Pliegue frío y falta de llenado del molde en el cuerpo de válvula, correspondiente al bonete identificado como Bonete 2 en este trabajo.
En las reparaciones observadas en el exterior del cuerpo de la válvula y en los puntos donde se localizaban espaciadores, de acuerdo con la especificación ASTM A216, se debió contemplar los requisitos establecidos, de acuerdo con los siguientes puntos de la norma:
CALIDAD.
La superficie de la fundición deberá examinarse visualmente y deberá estar libre de adherencias de arena, óxidos, grietas y desgarres en caliente. Otros tipos de discontinuidades deberán satisfacer los estándares de aceptación especificados en la orden de compra. El método visual SP-55 u otros estándares de inspección visual podrán ser empleados para definir las discontinuidades superficiales, así como el acabado. Las discontinuidades superficiales visibles inaceptables deberán removerse y su remoción se deberá verificar mediante la inspección visual de las cavidades resultantes.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Cuando se requiera inspección adicional se podrán ordenar los requisitos suplementarios S4 [inspección mediante partículas magnetizables], S5 [inspección radiográfica] y S10 [inspección de la soldadura de preparación].
Las reparaciones mediante soldadura están reguladas por el apartado 10 de la especificación ASTM A216:
REPARACIONES POR SOLDADURA
Las reparaciones deberán efectuarse empleando procedimientos y soldadores calificados bajo la práctica A 488/A488M.
Las reparaciones mediante soldadura deberán inspeccionarse con el mismo estándar de calidad empleado para inspeccionar las fundiciones. Cuando se van a producir fundiciones con especificación de requisitos Suplementarios S4, las reparaciones mediante soldadura deberán ser inspeccionadas con los mismos estándares de calidad con el que se inspeccionan las fundiciones. Cuando se produzcan fundiciones con requisitos suplementarios S5, las reparaciones por soldadura realizadas en fundiciones que han fugado en la prueba hidrostática, o en fundiciones en las cuales la profundidad de cualquier cavidad preparada para reparación mediante soldadura exceda el 20% del espesor de pared o 1 pulgada [25 mm], lo que resulte menor, o en fundiciones en las cuales la cavidad preparada para reparación mediante soldadura sea superior a 10 pulg2, aproximadamente [65 cm2], deberán radiografiarse al mismo nivel del estándar empleado para inspeccionar las fundiciones.
Las fundiciones conteniendo cualquier reparación que exceda el 20% del espesor de pared o 1 pulg [25 mm], lo que resulte menor, o que exceda 10 pulg2, aproximadamente [65 cm2
En el presente trabajo se detectó graves anomalías en el proceso de reprocesamiento, tanto de los bonetes, como del cuerpo de las válvulas marca SUFA instaladas en los cabezales Sen 95 y Sen Norte. Esta clase de reparación es común observarla en el cuerpo, ya que como se ha comentado arriba, la presencia de los sujetadores del corazón en ocasiones genera indicaciones por falta de fusión del espaciador, por lo que es necesario remover toda discontinuidad en la pared del cuerpo de válvula. Sin embargo, como se ha comentado, cada intervención (remoción de material y soldadura) deberá ser debidamente documentada y sustentada.
] en área, o que hayan sido para corregir defectos de la prueba hidrostática, deberán ser relevadas de esfuerzo o tratadas térmicamente después de la soldadura. Este relevado de esfuerzos o tratamiento térmico mandatorios deberán realizarse de acuerdo con el procedimiento de calificación empleado.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
Con base en lo anterior es necesario que el fabricante/proveedor de las válvulas entregue el reporte de inspección de cada reparación realizada en cada válvula, con su respectiva evaluación de las indicación reparada, el reporte de evaluación de la reparación, además de demostrar el cumplimiento con el requisito mandatorio de la reparación de todas aquellas indicaciones que caigan dentro de los casos estipulados en el apartado 10 de ASTM A216.
En el apartado 8, API 6D establece el cumplimiento de la normativa en inspección no destructiva en reparaciones mediante la aplicación de soldadura, así como la aplicación de tratamiento térmico post soldadura. Para la reparación establece que se debe contar con un procedimiento calificado, empleando soldadores calificados bajo los lineamientos de la sección IX de ASME.
Desafortunadamente no establece los requisitos, ni la especificación recomendada para efectuar la evaluación de los defectos.
El apartado 8 de API 6D establece las siguientes consideraciones:
SOLDADURA
Calificaciones
La soldadura, incluyendo la reparación mediante soldadura, de arte contenedoras y controladoras de presión deberá ser realizada conforme procedimientos calificados por ASME Sección IX o EN 288-3, y los puntos 8.2 y 8.2 de éste Estándar Internacional. Los soldadores y los operadores de soldadura deberán estar calificados conforme ASME Sección IX o EN 287-1.
NOTA El comprador, los códigos y normas de diseño de tuberías, las especificaciones de materiales, pueden especificar requisitos adicionales.
Los resultados de todas las pruebas de calificación deberán ser documentadas en un registro de procedimiento de calificación. (PQR).
Se deberá realizar tratamiento térmico post soldadura (PWHT) de acuerdo con la especificación de material relevante.
NOTA Algunas especificaciones para soldadura de tuberías, tales como la BS 4515, podrán contener requisitos más estrictos para las variables esenciales de soldadura. Para la calificación del procedimiento de soldadura, podría se necesario proporcionar los anillos de prueba completos, en la misma condición de tratamiento térmico de la válvula terminada.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
No existe evidencia documental hasta el momento que soporte que las reparaciones realizadas a las válvulas se hayan efectuado con base en procedimientos de soldadura siguiendo los lineamiento descritos en las especificaciones API 6D y ASTM A216, Grado WCB.
MATERIALES
9. La composición química del acero de los tres bonetes y de los cuatro elemento metálicos (S1 a S4) cumple con los límites de composición establecidos por la especificación ASTM A216 Gr. WCB para los bonetes y ASTM A515 Gr.70 para la compuerta (S1) y asientos (S3 y S4) y AISI 4140 para el acero del vástago, excepto para S1 y S2 que no cumplen con el contenido de manganeso.
10. La micro y macroestructura en todos los elementos metálicos de la muestra es congruente con la composición química determinada para cada caso. Para el caso de los bonetes permiten establecer que las condiciones de enfriamiento resultaron aleatorias durante el proceso de vaciado. Lo anterior es evidente por la densidad y magnitud de los defectos encontrados.
11. Para el caso de la compuerta, la especificación del proveedor (SUFA) establece que el tratamiento térmico aplicable es el de normalizado o de normalizado y relevado de esfuerzos. Sin embargo, la compuerta presentó una microestructura de temple y revenido, que es congruente con el exceso de manganeso. Este componente presenta una dureza cercana a la dureza máxima de 22 HRc, recomendada por NACE MR1075/ISO15156.
12. El vástago está fabricado en acero AISI 4140, que es una aleación utilizada generalmente en la condición de temple y revenido, para el caso particular de las válvulas este material fue requerido con tratamiento térmico de normalizado, lo cual es congruente con la relación de microestructura – dureza que presentó. Para este elemento se obtuvo una dureza superior al valor máximo de 22 HRC
13. La resistencia mecánica del acero de los bonetes 1 y 3 se encuentra dentro del rango permitido por la especificación ASTM A216 para el grado WCB, excepto para el acero del bonete 2, el cual presenta el esfuerzo último a la tensión por debajo del mínimo permitido.
, recomendado por NACE MR1075/ISO15156.
14. Aún cuando la resistencia mecánica de los bonetes corresponde o es cercana al grado de acero especificado, la dureza obtenida en el ensaye Brinell es baja, con respecto a la dureza esperada para un esfuerzo último a la tensión de 70 ksi. Situación que únicamente se cumple para el bonete 1, que resultó de 150 HBS. Por otra parte, la comparación de los valores de dureza obtenidos, con respecto a los valores declarados en el certificado, muestra valores considerablemente más bajos. De la misma manera, los resultados obtenidos en los ensayes de tracción presentan 50 MPa y 30 MPa en promedio, por debajo de los valores declarados en el certificado. La baja dureza puede estar relacionada con la micro porosidad provocada por los rechupes de contracción, que afectan en mayor