TESIS: PROCEDIMIENTO PARA LA REPARACIÓN DE LOS ÁLABES FIJOS EN LA TURBINA DE LA UNIDAD No. 2 EN LA CENTRAL TERMOELÉCTRICA VALLE DE MÉXICO.

TESIS:

PROCEDIMIENTO PARA LA REPARACIÓN DE LOS

ÁLABES FIJOS EN LA TURBINA DE LA UNIDAD

No. 2 EN LA CENTRAL TERMOELÉCTRICA

“VALLE DE MÉXICO”.

ALUMNO:

URIBE GUTIÉRREZ PABLO IVAN

BOLETA:

ÍNDICE PÁGINA

INTRODUCCIÓN. 1

1.- MARCO TEÓRICO

1.1 CICLOS DE POTENCIA DEL VAPOR 3

1.1.1 LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA 3

1.1.2 CICLO BÁSICO 4

1.1.3 CICLO DE CARNOT 6

1.1.4 EL CICLO DE RANKINE 8

1.1.5 EL CICLO DE VAPOR RECALENTADO 10

1.1.5.1 EFECTO DEL GRADO DE RECALENTAMIENTO 12

1.1.5.2 EL EFECTO DE LA TEMPERATURA DE EXTRACCIÓN 13

1.1.6 CALENTAMIENTO REGENERATIVO DEL AGUA DE 15

ALIMENTACIÓN

1.2 PRINCIPIOS DE SOLDADURA 22

1.2.1 FUNDAMENTOS DE SOLDADURA POR ARCO ELÉCTRICO 22

1.2.2 ELEMENTOS PRINCIPALES 22

1.2.3 SOLDADURA POR ELECTRODO NO CONSUMIBLE 23

PROTEGIDO (SOLDADURA TIG)

1.3 TRATAMIENTOS TÉRMICOS 25

1.3.1 DEFINICIÓN 25

1.3.2 PRINCIPALES TRATAMIENTOS TÉRMICOS 26

1.3.3 TRATAMIENTO TÉRMICO DE SOLDADURA 26

1.3.5 TRATAMIENTO TÉRMICO LOCALIZADO 29

1.3.5.1 CALENTAMIENTO POR LLAMA 30

1.3.6 MEDICIÓN DE TEMPERATURA 30

1.4 TURBINAS DE VAPOR 32

1.4.1 DEFINICIÓN 32

1.4.2 TURBINAS DE IMPULSO 34

1.4.3 TURBINAS DE REACCIÓN ( O PARSONS) 35

1.5 DESCRIPCIÓN DE LAS PARTES PRINCIPALES DE UNA 35

TURBINA DE VAPOR

2.- TIPOS DE MANTENIMIENTO

2.1 DEFINICIÓN Y TIPOS DE MANTENIMIENTOS 44

2.1.1 MANTENIMIENTO PREDICTIVO. 44

2.1.2 MANTENIMIENTO PREVENTIVO. 44

2.1.3 MANTENIMIENTO CORRECTIVO. 45

2.2 MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE LAS TURBINAS 45

DE VAPOR

2.3 DESARROLLO DE LAS TÉCNICAS DEL MANTENIMIENTO 46

PREVENTIVO RELACIONADO CON EL ENVEJECIMIENTO

2.4 DIAGNÓSTICO DE LA VIDA ÚTIL REMANENTE Y 48

MEJORAMIENTO DE LA CONFIABILIDAD DE LA TURBINA

2.4.1. DIAGNÓSTICO DE LA VIDA ÚTIL REMANENTE. 48

2.5 DESARROLLO DEL MANTENIMIENTO A UNA 52 TURBINA DE VAPOR

2.5.1 MANTENIMIENTO MENOR A UNA TURBINA DE VAPOR 53

2.5.2 MANTENIMIENTO MAYOR A UNA TURBINA DE VAPOR 54

3.- DAÑOS QUE SE PRESENTAN EN LOS ÁLABES FIJOS

(DIAFRAGMAS)

3.1 ANTECEDENTES 59

3.2 FENÓMENOS DE OPERACIÓN QUE AFECTAN EL 60

SISTEMA DE ÁLABES FIJOS.

3.3 TIPOS DE DAÑOS EN UNA TURBINA DE VAPOR 60

3.3.1 DAÑO POR IMPACTO DE PARTÍCULAS SÓLIDAS. 62

3.3.2 EROSIÓN POR LA HUMEDAD CENTRIFUGADA. 65

3.4 ACUMULACIÓN DE DEPÓSITOS. 65

3.4.1 ACUMULACIÓN DE SÍLICE 66

3.5 EXFOLIACIÓN EN TUBERÍAS 66

3.5.1 DAÑOS POR EXFOLIACIÓN 67

3.5.2 LIMPIEZA QUÍMICA 68

3.5.3 BENEFICIOS. 68

4.- PROCEDIMIENTO DE REPARACIÓN.

4.1 EVALUACIÓN DE LOS ÁLABES FIJOS PARA SU REPARACIÓN 69

4.2 PREPARACIÓN DEL ÁLABE 71

4.3 FABRICACIÓN DE ESCANTILLONES Y RESPALDO DE COBRE 71

4.4 FABRICACIÓN DEL BLOQUE MAESTRO Y 74

4.6 PROCEDIMIENTO PARA ELECTRODO DE 76 ACERO INOXIDABLE 316-L

4.7 PROCEDIMIENTO PARA ELECTRODO INCONEL 82. 82

FORMATO 1.- INSPECCIÓN VISUAL DEL DIAFRAGMA A 85

REPARAR

FORMATO 2.- VERIFICACIONES DE LAS DIMENSIONES DEL 86

CANAL DE FLUJO DEL VAPOR

FORMATO 3.- INSPECCIÓN POR LÍQUIDOS PENETRANTES 87

FORMATO 4.- ANÁLISIS DEL RECUBRIMIENTO APLICADO AL 88

DIAFRAGMA

4.8RECUBRIMIENTO DE ÁLABES EN TURBINAS DE VAPOR 89

4.8.1 UNA MEJOR CAPA DE PROTECCIÓN CONTRA LA EROSIÓN 90

POR PARTÍCULAS SÓLIDAS, EN LOS ÁLABES DE LAS TURBINAS DE VAPOR.

4.8.2 REDUCCIÓN DE LOS DAÑOS OCASIONADOS POR LA 92

EROSIÓN POR PARTÍCULAS SÓLIDAS EN TURBINAS DE VAPOR

4.9 COSTOS 94

CONCLUSIONES 95

BIBLIOGRAFÍA 96

INTRODUCCIÓN

En México, Comisión Federal de Electricidad genera, transmite, distribuye y comercializa energía eléctrica para más de 26.6 millones de clientes, lo que representa casi 80 millones de mexicanos que cuentan con energía eléctrica, e incorpora anualmente más de un millón de clientes nuevos, y los cuales han tenido una tasa de crecimiento medio anual de casi 4.4%, durante los últimos seis años.

Por ello, es importante manejar el uso apropiado de los recursos para generarla, debe ser estrictamente adecuado, es decir, debemos cuidar como consumidores la energía eléctrica y administrarla; desde los encargados de la distribución, que deberán hacer una planeación estratégica del cableado y del alcance de la red de distribución; al igual que los responsables de la generación de esta energía, quienes deben de administrar los componentes necesarios para esto (combustibles, generadores, agua, mano de obra, etc); incluyendo un procedimiento óptimo de los mantenimientos correspondientes, para que las plantas generadoras estén disponibles al 100%, dependiendo de las demandas continuas de los clientes finales.

Para la generación de la energía eléctrica existen plantas que por medio de diferentes procesos obtienen como resultado final esta energía.

Uno de los diferentes métodos para generar energía eléctrica son las plantas termoeléctricas las cuales para obtener dicha energía utilizan combustible de origen fósil (derivados del petróleo), para la generación de vapor en la caldera o generador de vapor, este vapor realiza un trabajo al pasar en la turbina de vapor, va acoplada a un generador eléctrico, esto es, la transformación de la energía química del combustible, a energía mecánica, y ésta a energía eléctrica.

En este proceso de obtención de energía eléctrica hay diferentes sistemas que intervienen, uno de estos es la turbina de vapor, la cual tiene contacto directo con el vapor así como a diferentes tipos de partículas, por lo cual hay que tener diferentes tipos de mantenimientos para su cuidado correcto así como para tener una alta eficiencia y para obtener el máximo aprovechamiento de los recursos y los materiales.

Uno de los puntos menos considerados y enfatizados, es el de lograr que en una turbina los mantenimientos que se le den sean los apropiados, en especial en los componentes que están en uso continuo y en desgaste constante dada su naturaleza de trabajo, como es en el caso de los álabes fijos (diafragmas).

El motivo principal de la importancia de un buen mantenimiento, se debe a que sufren daños en los álabes fijos, estas por su construcción y por los tipos de fabricación, en algunos casos es difícil cambiarlos por nuevos, ya que sería necesario cambiar todo un diafragma (ruenda completa, entiendase por esto una hilera de álabes fijos que conforman un diafragma); el diseño de estos no permite el cambio tan fácilmente.

Todo este procedimiento es muy costoso y no es redituable, ya que lo que se quiere es disminuir los costos en los materiales, así como en la mano de obra en los mantenimientos correspondientes a las turbinas de vapor.

fijos. Estos al sufrir daños afectan principalmente en la generación de energía eléctrica, al disminuir la eficiencia de la turbina de vapor, dando como resultado un aumento en el costo de combustible, como consecuencia es necesario quemar más gas o en su caso combustóleo o carbón, ya que la turbina no se encuentra en óptimas condiciones de generación.

Esto aumenta el costo-beneficio, lo que nos conlleva a un incremento en el precio del kilowatt/hora.

A través de ésta tesis, se plantea un procedimiento óptimo, para la reparación de estos componentes.

En los capítulos correspondientes, analizaremos desde el ciclo de la generación de energía en una central termoeléctrica, después describiremos las partes de la turbina de vapor, en especial en lo que corresponde al diafragma y sus daños más comúnes, los cuales se presentan según el tiempo de servicio de la unidad, continuando con la metodología de su mantenimiento y finalmente el procedimiento para la reparación.

1.- MARCO TEÓRICO

1.1 CICLOS DE POTENCIA DEL VAPOR

1.1.1 LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

La “Ley de la Conservación de la Energía” establece que “la energía no se puede crear ni destruir”. Sin embargo, es obvio que puede, mediante la aplicación de procesos mecánicos u otros, convertirse de una de sus formas a otra. Es la función del ciclo de generación de potencia térmica considerar estos procesos de transformación y, al hacerlo así, producir energía eléctrica.

En la planta de potencia térmica, la energía potencial térmica se convierte en energía rotacional eléctrica. Esta conversión no se completa en un solo paso discreto; más bien, ocurre como el resultado de una emisión controlada de la energía potencial química o nuclear del combustible, a energía cinética rotacional y luego a energía eléctrica. La energía térmica está disponible para el proceso de conversión, mediante el quemado de combustible de origen fósil (carbón, aceite, combustóleo o gas) o de la desintegración de un material fisionable (uranio). Los componentes del ciclo de potencia de conversión son tan eficientes, seguros y confiables como sea posible.

La cadena básica de conversión de energía se muestra en la figura 1.1. Este diagrama describe los procesos mediante los cuales se transforma la energía y su forma al final de diferentes etapas. Este diagrama, sin embargo, no hace ningún intento de detallar los muchos y muy complejos arreglos de aparatos que se requieren en cada paso, o de los intercambios de energía y los flujos dentro de los procesos.

Desde la concepción de la planta generadora de potencia mediante el empleo de vapor para mover una turbina, ha habido un esfuerzo continuo por parte de los ingenieros de diseño responsables del equipo y de los ciclos, de incrementar la eficiencia, tanto de los componentes como la del ciclo en sí. Se han hecho algunas mejoras a ambos mediante la innovación dentro de los componentes del ciclo y en el arreglo del ciclo mismo.

FIGURA 1.1

La cadena de conversión de energía, en la planta termoeléctrica

1.1.2 CICLO BÁSICO

Un ciclo de potencia termodinámica es un arreglo de procesos mediante los cuales el fluido actuante del proceso se transforma al convertir la energía potencial térmica contenida en el combustible, a energía eléctrica. En la planta de potencia a vapor, el fluido actuante es, alternativamente, agua y vapor o una fase de mezcla de los dos. Este fluido actuante pasa por cuatro procesos básicos de recepción de calor (la adición de algo de sensible, latente y sobrecalentado), la expansión, (la emisión de energía térmica), la condensación (remoción de la parte no usada de la energía térmica) y, finalmente, la presurización previa a la recepción, una vez más, de calor. Esto completa el ciclo.

El fluido actuante en el ciclo de potencia de vapor pasa por los siguientes procesos de transformación: ENERGÍA DE ORIGEN FÓSIL O NUCLEAR CALDERA DE VAPOR O REACTOR ENERGÍA POTENCIAL TÉRMICA TURBINA DE VAPOR ENERGÍA CINÉTICA ROTACIONAL GENERADOR ELÉCTRICO ENERGÍA ELÉCTRICA

a) El calor que se tiene disponible de la combustión o desintegración del combustible se transfiere al agua de alta presión en el generador de vapor. La adición de energía calorífica sensible y latente convierte al agua en vapor a los mismos niveles de temperatura y presión. La adición posterior de calor hará que la temperatura del vapor aumente; a esto se le denomina sobrecalentamiento. La adición de calor incrementa el nivel de energía en el fluido actuante.

b) El vapor, posterior a la recepción de calor, se conduce del generador de vapor, mediante un sistema de válvulas de control a la turbina. En la turbina, la energía del vapor se cede y se convierte en energía cinética rotacional, la cual mueve un generador eléctrico. Al expanderse, el vapor entrega su sobrecalentamiento y con una expansión posterior una porción de su calor latente. Tan pronto como el vapor empieza a dar su calor latente, se forma agua, la cual es transportada por aquél. c) La energía de presión y la energía térmica del vapor están relacionadas entre sí por

las “leyes naturales”, y sus valores determinan el total de la energía del vapor. Se deduce que, entre más bajo sea el nivel de energía de presión que el vapor pueda obtener, antes de ser descargado en la turbina, mayor será la energía térmica que estará disponible en él, para su conversión. Si no existiera un medio para bajar la presión de escape de la turbina o la presión de descarga, por debajo de la atmosférica, entonces el vapor igualaría a la diferencia de niveles de energía entre lo inicial y las condiciones atmosféricas. No obstante, se conoce un medio por el cual se crea la presión, o presión artificial, o la presión sub-atmosférica, en el escape de la turbina. Esta presión sub-atmosférica incrementa significativamente la cantidad de energía disponible para la conversión.

Este dispositivo, que produce presión sub-atmosférica, se llama condensador. El condensador remueve el calor latente remanente del fluido actuante y convierte al vapor de escape en la mezcla de vapor/agua en agua.

d) El condensador es un gran recipiente de intercambio de calor, el cual recibe la mezcla de agua/vapor que escapa de la turbina. Acomodados dentro del condensador hay haces de tubos en arreglos serie/paralelo. Estos haces de tubos circulan agua tomada de una superficie fría, tal como un lago o un río, o de una planta de tratamiento de aguas negras. El flujo de escape que entra al condensador se pone en contacto con estos tubos de baja temperatura y se condensa sobre ellos. Esta condensación de vapor origina una dramática reducción de volumen del fluido actuante. En consecuencia, se crea un vacío parcial y se mantiene dentro del recipiente del condensador. Esta baja presión produce un rango de energía mayor y, consecuentemente permite que se libere más energía del vapor para ser convertida en energía eléctrica.

e) Esta agua, producto de la condensación, se remueve del condensador mediante “bombas de extracción de condensado” y se traslada a unas bombas de agua más fría, que debe de calentarse hasta las condiciones del ciclo en el punto de su inyección, esto representa una pérdida de energía para el ciclo, equivalente al nivel medio de energía del fluido perdido, menos en nivel de energía del fluido de repuesto.

consecuentemente degrada la eficiencia del ciclo. En la figura 1.2 se muestra el proceso a grandes rasgos.

CALDERA

TURBINA _GENERADOR

CONDENSADOR

BOMBA

1.1.3 CICLO DE CARNOT

Al ciclo óptimo termodinámico de generación de potencia se le conoce como un “ciclo de Carnot”, y aunque este ciclo es impráctico e inalcanzable, sí proporciona una base contra la cual se pueden comparar otros ciclos y arreglos de componentes. Ha sido posible, durante la evolución de los ciclos de potencia actuales, incorporar dispositivos y técnicas en ellos, que permitan hacer una aproximación al “Ciclo Ideal de Carnot”.

Carnot expuso su aseveración en 1824 de que “ninguna máquina puede ser más eficiente, estando trabajando entre los mismos límites de temperatura, que la que es completamente reversible en sí misma”. En consecuencia, para lograr la “Eficiencia de Carnot" en cualquier ciclo, cada proceso que conforme al mismo debe ser por sí mismo, reversible.

Para que un ciclo termodinámico sea completamente reversible y para que se aplique el principio de arriba, todo el calor debe ser recibido por el fluido actuante a temperatura constante, y todo el calor de desperdicio debe desecharse del fluido actuante a una temperatura inferior constante. En cualquier planta de fuerza, sin importar qué tan eficiente pueda ser, esto no es, obviamente posible, puesto que sería necesario elevar la temperatura del fluido actuante del límite inferior al superior de un modo diferente a quemar combustible, el cual, de por sí, es un proceso irreversible.

La figura 1.3 muestra al Ciclo de Carnot en el diagrama “Temperatura-Entropía”.

FIGURA 1.2

Las cuatro partes del aparato de conversión de energía del ciclo de potencia térmico básico.

Las cuatro operaciones básicas que lo componen se señalan por los cuatro lados del rectángulo “ABCD”. La primera operación “AB” es el suministro o adición de calor a una temperatura constante “T1”. Esto eleva la entropía del fluido actuante de “S1” a “S2”. El segundo proceso “BC” es la expansión adiabática del fluido actuante a entropía constante, de la temperatura “T1” a “T2”. Durante el proceso “CD” se rechaza el calor a un cuerpo frío a una temperatura constante “T2” restableciendo el nivel de entropía de “S2” a su valor original “S1”. Durante el proceso “DA”, la mezcla de dos fases se comprime adiabáticamente, lo que eleva la temperatura del fluido de “T2” a “T1”.

A B C D T T T 1 2 S S S_{1 2}

El área encerrada por el rectángulo representa el calor que está disponible para convertirse en trabajo; éste es igual a (T1-T2) * (S2-S1). Similarmente el calor total suministrado durante el proceso “AB” es T1 * (S2-S1). En consecuencia, la eficiencia del ciclo es:

) ( ) )( ( 1 2 1 1 2 2 1 S S T S S T T Disponible CalorTotal bajo rtidoenTra CalorConve − − − = Y, en consecuencia, la Eficiencia de Carnot es:

1 2 1 " " T T T C − =

η

FIGURA 1.3

El Ciclo de Carnot en el diagrama Temperatura – Entropía con límites de temperatura “T1 y T2”.

de tiempo finitos para la transferencia de calor, y la máquina misma absorbería calor durante el ciclo de operación.

Aunque el Ciclo de Carnot se basa puramente en consideraciones teóricas, sí proporciona una “medida” muy efectiva contra la que es posible comparar el comportamiento de las variaciones que se introduzcan en el ciclo. Puede también ayudar a asignar el valor que se obtendría por el hecho de incorporar, en el ciclo, otro equipo, mismo que influiría a los resultados de aquél.

La eficiencia de este ciclo óptimo es dependiente solamente de la temperatura, se desprenden las razones por las que se estén haciendo continuos esfuerzos por los diseñadores de plantas, para incrementar la temperatura inicial del vapor que entra a la turbina y de bajar la temperatura de escape tanto como sea posible.

1.1.4 EL CICLO DE RANKINE

El “Ciclo de Rankine” o “Ciclo de Clausius” se aproxima bastante a la eficiencia del ciclo de Carnot, entre cualquiera de los límites de temperatura estipulados. La figura 1.4 muestra el Ciclo de Rankine representado en el diagrama Temperatura - Entropía. El ciclo de Rankine abarca cuatro procesos básicos. Estos son:

a) La recepción de calor, proceso “A-B”. En el ciclo de potencia esto representa el calentamiento del agua en el generador de vapor a partir de la combustión o de la desintegración de un combustible (de origen fósil o nuclear), y la adición de calor sensible al agua, elevando su temperatura de “T2” a “T1”.

b) La adición posterior de calor latente de “B-C”, convierte el agua en vapor a una temperatura constante “T1”. Cualquier adición de calor posterior hace que el vapor se vuelva sobrecalentado. Dependiendo de la cantidad de calor que se agregue al vapor en el generador de vapor y en el sobrecalentador, su condición final puede ser “C1”, con algo de humedad suspendida en el vapor; “C2” que es seco y saturado, o con algún grado de sobrecalentado “dT”, condición “C3”.

c) Expansión adiabática. Se le permite al vapor que se expanda en la turbina de vapor, haciendo trabajo a costa de la energía interna del vapor. Durante ésta expansión, la temperatura del vapor cae desde un nivel superior de energía “T1” hasta un nivel inferior “T2” puntos “C” a “D”. Para obtener esta “Eficiencia de Rankine”, se supone que la expansión dentro de la turbina ocurre sin pérdidas, es isentrópica y, en consecuencia, irreversible.

d) Condensación completa. El vapor que permanece en la turbina al final de la expansión isotérmica se encuentra en una mezcla de dos fases agua/vapor. Esta mezcla se pasa al condensador en donde se le retira el calor latente restante “D-A” a temperatura constante y se le cambia el nivel de entropía de “Sd” a “Sa”.

Al comparar las eficiencias que se obtienen por las definiciones de “Carnot” y “Rankine” debe notarse que no ha habido cambio en la eficiencia interna de los cuatro componentes

La única diferencia es, en efecto, un reconocimiento de la incapacidad del fluido de trabajo para aceptar o rechazar calor isotérmicamente y a una velocidad suficiente como para evitar las pérdidas térmicas en las partes que rodean a la máquina, compatibles con la reversibilidad.

T S A A' B C D D' D'' 1C2 C₃ T₁ T₂ T S X E K E C D FIGURA 1.4

El Ciclo de Rankine en el diagrama Temperatura – Entropía con límites de temperatura de “ T1 y T2”.

tiempo que se mantiene la misma presión de escape o retro-presión. La figura 1.5 muestra este efecto en el diagrama Temperatura-Entropía. Hay ciertas conclusiones obvias que se pueden deducir de este diagrama.

a) Con un aumento en la presión inicial, hay un correspondiente aumento en la cantidad de energía suministrada a partir del generador de vapor.

b) Con un aumento en la presión inicial, hay un aumento significativo en el trabajo entregado por el ciclo.

c) Hay un aumento en el contenido de humedad en el vapor que escapa de la turbina con la presión inicial incrementada.

Puede verse, de las consideraciones de eficiencia, que es muy atractivo incrementar la presión inicial hasta un punto en el que los aumentos posteriores producen una reducción de la eficiencia del ciclo.

1.1.5 EL CICLO DE VAPOR RECALENTADO

La expresión 1.1.1 para la eficiencia de Carnot, indicaría que para cualquier límite más bajo de temperatura, la eficiencia puede incrementarse elevando la temperatura inicial. Esto es obviamente cierto para el Ciclo de Carnot, y este razonamiento puede extenderse para aplicarse a otros ciclos. Se ha visto que para el Ciclo de Rankine se logró un incremento en la eficiencia por la adición de sobrecalentamiento. La deducción general de los ciclos de Carnot y Rankine es, por lo tanto, “que se pueden tener ganancias en eficiencia por cualquier medio que aumente la temperatura y, consecuentemente, el nivel inicial de calor sin un incremento correspondiente en el calor no disponibles”.

Un método que se usa para aumentar los niveles en la temperatura media de los ciclos de potencia es la aplicación de recalentamiento al vapor. En el ciclo de vapor recalentado, se remueve el vapor parcialmente expandido de la turbina y se regresa al generador de vapor en donde se le agrega energía, y la temperatura del fluido de trabajo se eleva a un nivel aproximadamente igual al del valor inicial. Entonces se regresa el vapor a la turbina para completar su expansión.

Este ciclo realmente requiere del consumo de más combustible para re-energizar el fluido de trabajo; pero la energía se suministra a un nivel bastante alto y su relación de trabajo disponible respecto al útil es alto. La figura 1.6 muestra el efecto del recalentamiento en el diagrama Temperatura-Entropía. Aquí se retira de la turbina vapor parcialmente expandido en condición “G1” y se recalienta a la condición “F2” y se le permite completar su expansión hasta las condiciones de escape “X”.

Con las condiciones extremadamente avanzadas que se usan en algunas plantas modernas y las ganancias en eficiencia que se pueden lograr, a menudo se pueden considerar dos etapas de recalentamiento mediante las consideraciones económicas. En este ciclo, el vapor entra a la sección de alta presión de donde, después de una expansión parcial, se le retira de la turbina, se le recalienta y se le retorna a la turbina en donde ocurre una expansión posterior.

Luego después de esta segunda porción de expansión, se vuelve a remover y se regresa al recalentador para un recalentamiento adicional. Después de esta segunda etapa de recalentamiento, se regresa el vapor a la turbina para completar su expansión.

T 1 2 S F1 F2 G1 A B X T S F₁ F₂ G₁ A B X F₃ G₂ FIGURA 1.6

Efecto del recalentamiento, en el diagrama Temperatura – Entropía, la expansión ocurre entre las condiciones “F y G”.

diagrama Temperatura-Entropía. En este ciclo se agrega sobrecalentamiento de “B” a “F1”, en cuyo punto el vapor se expande en la turbina hasta la condición “G1”. Al regresar el vapor a la caldera en condiciones “G1”, el vapor se recalienta hasta la condición “F2” y luego se regresa a la turbina para una segunda parte de la expansión. Después de ser expandido hasta la condición “G2”, se vuelve a sacar el vapor de la turbina y se regresa a la caldera, en donde se le recalienta por segunda vez hasta la condición “F3”. Luego se le retorna a la turbina para expandirse hasta la condición final “X”.

Es interesante considerar el efecto del recalentamiento del vapor sobre el contenido final de humedad del fluido de trabajo. Se ha demostrado que la adición de sobrecalentamiento tiene una influencia sobre el nivel final de humedad contenido en el vapor. Cuando el vapor, que se está expandiendo en la turbina, llega a la condición de saturación, la expansión hará que se formen partículas de humedad y que se les transporte por este vapor, a través de la turbina. Estas gotas, que se forman inicialmente por nucleación, aumentan en tamaño por la condensación posterior, pero su número no aumentará.

Tales gotas, formadas por nucleación, se depositarán finalmente en las porciones internas de la trayectoria del vapor. El fluido de trabajo se acelera y se retarda alternativamente por la expansión y el cambio de dirección a través de los álabes fijos y móviles. Este cambio de velocidad requiere que haga trabajo la fase de vapor o gas sobre las partículas del líquido, con objeto de emparejar su velocidad con la del vapor que las está transportando. Este trabajo realizado por el vapor al acelerar las partículas de humedad requiere un consumo interno de trabajo y, en consecuencia representa una pérdida en lo que entrega al ciclo. Es, en consecuencia, del interés del diseñador reducir este contenido de humedad tanto como sea posible para minimizar las pérdidas friccionales de la humedad.

Hay dos aspectos, o consideraciones, al seleccionar los parámetros del ciclo para recalentamiento, que pueden influenciar en el contenido final de humedad. Primero, se necesita considerar el grado de recalentamiento que se agrega al vapor extraído, y segundo, debe examinarse el punto en la expansión en donde se remueve el vapor de la turbina para recalentamiento. Se considerarán estos dos factores.

1.1.5.1 EFECTO DEL GRADO DE RECALENTAMIENTO

La figura 1.8muestra una porción del diagrama Temperatura-Entropía para un ciclo sencillo de recalentamiento. En este ciclo se agrega sobrecalentamiento al fluido de trabajo de “C” a “D”, en cuyo punto se pasa el vapor a la turbina para comenzar su expansión. En el punto “E” se retira el vapor de la turbina y se regresa al recalentador, en donde se mejora hasta la condición “F” y luego se le regresa a la turbina para completar su expansión hasta la condición “X”.

Considérese ahora la porción del recalentado con más detalle. Se agrega sobrecalentamiento para lograr un grado de recalentamiento representado por la condición “F”. Si se agrega calor hasta el grado de lograr un TTD entre las temperaturas inicial y de recalentado de “∆T”, el vapor tendrá una condición representada por “F1”. En forma alterna, el vapor puede recalentarse para lograr una condición “F2” teniendo un TTD de “∆T2”. Sin embargo, el vapor se recalienta hasta que llega a la temperatura de recalentado equivalente a la

Este es el arreglo más común de un ciclo. Si la temperatura del vapor se incrementa por encima de la inicial del vapor hasta “F4”, tendrá un TTD de “T4”.

Si después del recalentamiento, el vapor se expande desde su condición de recalentamiento “F”, puede verse que el punto “F” de recalentamiento tendrá un efecto significativo sobre el contenido final de humedad logrado en la condición “Xe”. Puede verse que entre mayor sea la temperatura de recalentamiento, más seca se volverá la línea de expansión final y, consecuentemente, menor la pérdida de humedad.

T S F4 ∆∆∆∆T2 ∆∆∆∆T 1 T₃ T₂ X e ∆∆∆∆T4 T F C F E 1 2 3 4 T D 4 2 F 3 1 F 1

1.1.5.2 EL EFECTO DE LA TEMPERATURA DE EXTRACCIÓN

En la figura 1.9 se muestra el efecto de los diferentes puntos de extracción para la remoción de vapor de la turbina, puntos “E1”, “E2”, “E3” y “E4”. En cada caso, se recalienta el vapor hasta lograr un TTD con la temperatura inicial del vapor de 0 C. Está claro, de la figura 1.9 que entre más baja sea la presión a la que se remueva el vapor de la turbina más seca será la condición final de expansión "Xe". También se verá que si se permite que la expansión continúe hasta que el vapor entre a la región de saturación, punto “E4”, el fluido de trabajo contendría entonces humedad y sería necesario removerla mecánicamente, o evaporarla en el recalentador para llegar a la condición “G”, antes de que se pudiera agregar sobrecalentamiento para llegar a la temperatura “T2”.

En general se puede reducir el contenido final de humedad bajando la “Temperatura del Recalentado Frío” (T.R.F.) “E” y elevando la “Temperatura del Recalentado Caliente” (TRC) “F”.

FIGURA 1.8

Efecto del “Grado de Recalentamiento” en el contenido de humedad final.

existir humedad en el punto intermedio en el ciclo si el punto de recalentado frío “E” se bajara demasiado. T S F1 E 4 X_e T₁ T2 2 3 4 D T3 1 2 3 1 C 1 2 3 4 G F F F E E E T S X_e T1 T₂ T₃ F₂ F₄ E2 E H C D X₄ FIGURA 1.9

La influencia de l presión de la extracción en la sección de alta presión sobre el contenido final de humedad.

En términos de eficiencia del ciclo y de los puntos óptimos de recalentados frío y caliente, es difícil generalizar y se requerirían estudios a mayor profundidad para cualesquiera parámetros del ciclo seleccionados de condiciones de vapor y finales. Si, por cualquier razón, fuese necesario llegar a un contenido de humedad “X4”, figura 1.10, entonces se podría usar cualquiera de los ciclos de recalentado sencillo o doble. El arreglo más adecuado de ciclo está en función de los niveles de esfuerzos de los componentes individuales y los posibles problemas operativos que se pudieran inducir en los aparatos del ciclo. Ésta condición final también podría lograrse recalentando a un TTD que no fuera cero e investigando diferentes puntos de extracción en la turbina.

1.1.6 CALENTAMIENTO REGENERATIVO DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN

La eficiencia del Ciclo de Rankine es, como se ha visto, inferior a la del Ciclo de Carnot. Esto se debe a que se regresa el condensado a la caldera como un fluido frío, que requiere la adición de calor sensible antes de que pueda empezar el proceso evaporativo. De los procesos que conforman al Ciclo de Rankine figura 1.11, “B-C” y “D-A” son isotérmicas reversibles y “C-D” es la expansión adiabática del vapor en la turbina. Este proceso, porque no hay pérdidas, es también reversible. En consecuencia, el único proceso que no es reversible es “A-B”, la elevación de la temperatura del condensado desde el límite inferior al límite superior del ciclo mediante la adición de calor sensible en la caldera.

Si se pudiera incorporar un proceso en el ciclo mediante el cual se aumentara la temperatura del condensado o del agua de alimentación, que va al generador de vapor, a costa del vapor “C-D” en expansión, entonces se podría aproximarse más a la efiencia de Carnot. Esto es, si fuese posible remplazar el proceso “A-B” por uno que fuese reversible, entonces sería posible lograr la eficiencia de Carnot.

T S B C D A' A FIGURA 1.11 El Ciclo de Rankine.

aproximación mediante el uso del “Calentamiento Regenerativo del Agua de Alimentación”. En el ciclo que emplea el calentamiento regenerativo del agua de alimentación, se extrae una porción del fluido de trabajo del flujo principal de vapor de la turbina, durante la expansión “C-D” de la figura 1.11. Este vapor entra en un intercambiador de calor, en donde entrega su calor latente y una porción de su calor sensible, para elevar la temperatura del agua fría de alimentación que está regresando a la caldera proviniendo del condensador. Es normal extraer vapor, que está en proceso de expansión, en más de un punto y, en pasos progresivos, elevar la temperatura del agua de alimentación de manera que llegue a una temperatura cercana a la que corresponde a la de saturación, de acuerdo a la presión de la caldera.

Este intercambio de energía entre el vapor y el agua de alimentación, se lleva a cabo en un intercambiador de calor denominado “Calentador de Agua de Alimentación”. No obstante todos los calentadores de agua de alimentación efectúan una función que, permite al calor realizar una transferencia del vapor extraído, al agua de alimentación. El arreglo de los calentadores de alimentación que se usa es tal que la elevación de temperatura del agua de alimentación anda en el rango de 7.2 - 18.3°C (45 – 65°F) en cada uno.

El ciclo regenerativo ideal extraería vapor de un número infinito de puntos de extracción durante el proceso de expansión. En cada una de ellas, el calor intercambiado entre el vapor extraído y el agua de alimentación eleva la temperatura de ésta por una cantidad infinitamente pequeña “dT”. También en cada uno de estos puntos de intercambio de calor, la presión del agua de alimentación se eleva por una cantidad “dP”, suficiente para hacer la temperatura final, o de descarga, del agua de alimentación que se aumente por una cantidad “dT” a la nueva presión.

Se supone que la ganancia de energía del agua de alimentación es suficientemente pequeña de manera que se logra una igualación de temperatura en el calentador de agua. Sin embargo, se le considera suficientemente grande como para originar un intercambio de energía entre el vapor extraído y el agua de alimentación y que la suma de esos infinitamente pequeños aumentos de temperatura son suficientes para elevar la temperatura del agua de alimentación desde la temperatura de saturación que corresponde a la presión del condensador hasta la temperatura de saturación que corresponde a la presión del agua de alimentación de la caldera.

Esto es:

∑

Considerando el ciclo regenerativo ideal en el diagrama Temperatura-Entropía, Figura 1.12, el cual está dibujado para un ciclo que opera con vapor saturado seco entrando en la turbina en “C”. Conforme el vapor comienza a expandirse, se retira continuamente una porción de él en un número infinito de extracciones, para calentar el condensado. Este efecto degrada continuamente la entropía del ciclo, desplazando la línea de expansión de la turbina hacia la izquierda en el diagrama.

Las operaciones del ciclo se representan entonces por “ABCE”, esta área también representa el calor convertido a trabajo. El calor no disponible está representado por el área “AEFG”.

En la práctica hay un límite respecto al número de calentadores de agua de alimentación que pueden justificarse desde el punto de vista económico, o que se pueden acomodar en cualquier ciclo. Este número está gobernado principalmente por las condiciones del vapor y por la entrega final del ciclo, por el incremento total de temperatura requerido en el agua de alimentación y por el costo de los calentadores. No es posible generalizar respecto a cuántos calentadores de agua de alimentación podrían usarse en alguna aplicación específica, ni de qué puntos de la turbina debería extraerse el vapor, de modo que se distribuya uniformemente el incremento total de temperatura entre los calentadores.

Las configuraciones comunes de calentadores de plantas a base de combustible fósil incluyen los siguientes, como función de las capacidades de las turbinas:

20 000 - 50 000 kW 4 o 5 calentadores

50 000 - 100 000 kW 5 o 6 calentadores

100 000 - 200 000 kW 5, 6 o 7 calentadores

más de 200 000 kW 6,7 u 8 calentadores

El efecto de un número finito de calentadores de agua de alimentación respecto a modificar el diagrama Temperatura-Entropía, se muestra en la figura 1.13. Aquí el vapor se extrae después de una expansión parcial de “C” para calentamiento de la alimentación, seguido por posterior expansión y extracción. Igual que en la figura 1.12, el área que representa el calor disponible para convertirse a trabajo es la “ABCE” y el calor no disponible está dado por el área “AEFG”. T S B C D E A K F G FIGURA 1.12

alimentación sobre el Ciclo de Rankine es remover la porción del diagrama circundado por el área “CDKFE”. La cual reduce el calor disponible para conversión a trabajo por una área “CDE”; pero la cual hace una reducción significativamente más grande, el área “EDKF”, en el calor no disponible. En consecuencia, el efecto neto del calentamiento regenerativo es incrementar la eficiencia del ciclo.

Se habló previamente de un incremento normal de temperatura en los calentadores de 7.2 - 18.3°C (45 – 65°F). También del aumento total de temperatura a través de todo el tren de alimentación debe ser distribuido uniformemente en los calentadores. Sin embargo, hay limitaciones prácticas a esto, puesto que solamente es posible extraer vapor en los puntos de etapas en la unidad; esto es, al terminar la expansión del vapor después de una etapa y antes de entrar a la siguiente. Estos puntos de extracción determinan la temperatura del vapor que están disponibles para el calentamiento de agua de alimentación. Es improbable que el vapor se pueda sacar a la precisa temperatura requerida, y entonces debe establecerse un cierto compromiso. Sin embargo, es poco probable que se afecte el comportamiento en una cantidad excesiva, pero debe tenerse cuidado al seleccionar los puntos de extracción para asegurar la distribución más favorable posible.

El punto de extracción para la etapa final, superior, calentamiento de agua de alimentación, es el más critico en el ciclo, puesto que es este calentador el que determina la temperatura final del agua de alimentación del vapor que entra a la caldera y, en consecuencia, establece la cantidad de calor sensible que se le debe agregar en ella. Es, a menudo, conveniente seleccionar esta extracción superior de manera que dé una óptima temperatura final de agua de alimentación luego arreglar ésta como la temperatura en la que el vapor se extraiga de la sección de alta presión de las turbinas que se convierte en el “Punto del Recalentado Frío”. Este arreglo permite que el vapor sea removido de la línea de recalentado frío y de esta forma evite muchas de las dificultades mecánicas asociadas con la remoción de vapor a través de la carcaza de alta presión.

Todas las plantas de potencia modernas emplean calentamiento regenerativo de agua de alimentación, puesto que produce una ventaja económica y de rendimiento térmico. Es interesante considerar el cambio en las condiciones del agua conforme fluye por el tren de agua de alimentación, puesto que la mejor comprensión de esto proporcionará un panorama más claro de los requerimientos de la porción de la planta de potencia, que corresponde al calentamiento del agua de alimentación.

Considere el ciclo ideal con un número infinito de calentadores. La figura 1.14 muestra una porción de la “Línea de Agua Saturada” (siendo la línea “D-A” la porción final del proceso de condensación en el condensador). En “A”, el fluido de trabajo totalmente condensado entra, desde el condensador, al tren de calentamiento de alimentación. En este punto, la presión del agua de alimentación se incrementó por una cantidad “dP”. Ésta compresión incrementó la temperatura del agua por una pequeña cantidad “dT”, y la condición final está representada por el punto “K”. El vapor extraído de la turbina se mezcla entonces con el condensado, mejorando su condición a “L”, mediante el aumento de temperatura de la mezcla por “T”, a una presión relativamente constante. En “L” ocurre una posterior presurización, y la temperatura se aumenta de nuevo por la adición del vapor extraído de un punto de mayor condición de la turbina de la unidad.

T S B C D E A K F G T S L K A D ∆∆∆∆T ∆∆∆∆T, dT FIGURA 1.13

El efecto de un número “Finito”de calentadores.

FIGURA 1.14

En el ciclo de potencia real, no es práctico emplear una bomba en cada calentador y la práctica general es presurizar el agua de alimentación solamente en dos puntos. El primer punto es en la extracción del condensador, donde tiene el agua suficiente carga para permitirle que se remueva y que se envíe a través de los calentadores de baja presión. Esta presión se produce por las “Bombas de Extracción de Condensado”. Después de haber pasado por los calentadores de baja presión, se presuriza el agua para su envío hacia la caldera. La presurización se hace mediante las “Bombas de Alimentaci6n de la Caldera o del Reactor”. Estas bombas incrementan la presión del agua a un valor por encima del de la presión de manejo del generador de vapor como en un 20-25%. El agua de alimentación pasa entonces a través de los calentadores de alta presión, hacia el generador de vapor.

La figura 1.15 muestra los gradientes de presión y temperatura del agua de alimentación que pasa a través de todo el conjunto de seis calentadores de una unidad de 126.553 kgf/cm2 y 537.77 ºC (1800 Psia y 1000°F), que tiene una presión de escape de 1.70Hg. Adicionalmente a los seis calentadores de alimentación, el ciclo contiene un séptimo intercambiador de calor que se usa para condensar el vapor de las cajas de sellado. Este vapor da un pequeño incremento de temperatura al agua de alimentación y ayuda a mejorar la eficiencia total del ciclo.

El efecto de la presurización del agua de alimentación en solamente dos etapas puede verse en el diagrama Temperatura-Entropía de la figura 1.16. La línea de la condición del fluido de trabajo se muestra como “ASTUVB”.

Puesto que hay relativamente poca presurización del agua de alimentación en las bombas de extracción de condensado, la línea de elevación vertical de temperatura es pequeña en este punto, y el área encerrada “AST” entre la línea de la condición del agua de alimentación y la línea del agua saturada, que representa el trabajo hecho al presurizar el agua, es pequeña. Las bombas de alimentación producen un relativamente gran incremento en la presión del agua de alimentación y, consecuentemente, el área a la izquierda de la línea de agua saturada “TUV”, es grande. Es obvio que hay ventajas económicas en colocar las bombas de alimentación tan altas como sea posible en el tren de calentamiento del agua de alimentación, porque el punto “V” es fijo y así el área “TUV” sería mínima con las bombas colocadas lo más alto. Hay, no obstante, otras consideraciones que dictan la posición de las bombas de alimentación y las fijan en otra posición más baja en el ciclo.

464 382 338 303 189 98 96 256 C O N D IC IO N E S H A C IA L A C A L D E R A "T" "P" G R A D IE N T E D E P R E S IO N D E L A G U A D E A L IM E N T A C IO N G R A D IE N T E D E T E M P E R A T U R A D E L A G U A D E A L IM E N T A C IO N C O N D IC IO N E S D E S D E E L C O N D E N S A D O R T S B U S T A V FIGURA 1.15

Variación de la temperatura y presión del agua a través de un tren de calentadores de agua de alimentación.

FIGURA 1.16

El efecto de la presurización del agua de alimentación en dos etapas, utilizando bombas de “Extracción de Condensado” y

1.2 PRINCIPIOS DE SOLDADURA

La soldadura se define como una coalescencia localizada de metal que se produce mediante calentamiento a temperaturas convenientes, con aplicación de presión o sin ella y con utilización de metal de relleno o sin él. El metal de relleno puede tener, aproximadamente, el mismo punto de fusión que los metales base (como en la soldadura de arco o con gas), o puede tener un punto de fusión inferior pero arriba de 427 ºC (800 ºF). El límite de 427ºC distingue a la soldadura fuerte de la soldadura suave. La definición incluye seis categorias generales:

Soldadura de arco Soldadura con gas Soldadura de resistencia Soldadura fuerte

Soldadura de estado sólido Otros procesos

De estos, los primeros cuatro son importantes en la industria.

1.2.1 FUNDAMENTOS DE SOLDADURA POR ARCO ELÉCTRICO

Para realizar una soldadura por arco eléctrico se induce una diferencia de potencial (es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito cerrado) entre el electrodo y la pieza a soldar, con lo cual se ioniza el aire entre ellos y pasa a ser conductor, de modo que se cierra el circuito y se crea el arco eléctrico. El calor del arco funde parcialmente el material de base y funde el material de aporte, el cual se deposita y crea el cordón de soldadura.

La soldadura por arco eléctrico es utilizada comúnmente debido a la facilidad de transportación del equipo utilizado y a la economía de dicho proceso.

1.2.2 ELEMENTOS PRINCIPALES

A continuación se mencionan algunos de los elementos de este tipo de soldadura:

Electrodo: Son varillas metálicas preparadas para servir como polo del circuito; en su extremo se genera el arco. En algunos casos, sirven también como material fundente. La varilla metálica a menudo va recubierta de distintos materiales, en función de la pieza a soldar y del procedimiento empleado.

Plasma: Está compuesto por electrones que transportan la corriente y que van del polo negativo al positivo, de iones metálicos que van del polo positivo al negativo, de átomos gaseosos que se van ionizando y estabilizándose conforme pierden o ganan electrones, y de productos de la fusión tales como vapores que ayudarán a la formación de una atmósfera protectora. Esta zona alcanza la mayor temperatura del proceso.

Llama: Es la zona que envuelve al plasma y presenta menor temperatura que éste, formada por átomos que se disocian y recombinan desprendiendo calor por la combustión del revestimiento del electrodo. Otorga al arco eléctrico su forma cónica.

Baño de fusión: La acción calorífica del arco provoca la fusión del material, donde parte de éste se mezcla con el material de aportación del electrodo, provocando la soldadura de las piezas una vez solidificado.

Cráter: Surco producido por el calentamiento del metal. Su forma y profundidad vendrán dadas por el poder de penetración del electrodo.

Cordón de soldadura: Está constituido por el metal base y el material de aportación del electrodo y se pueden diferenciar dos partes: la escoria, compuesta por impurezas que son segregadas durante la solidificación y que posteriormente son eliminadas, y el sobre espesor, formado por la parte útil del material de aportación y parte del metal base, que es lo que compone la soldadura en sí (figura 1.17).

1.2.3 SOLDADURA POR ELECTRODO NO CONSUMIBLE PROTEGIDO (SOLDADURA TIG)

El objetivo fundamental en cualquier operación de soldadura es el de conseguir una junta con la misma característica del metal base. Este resultado sólo puede obtenerse si el baño de fusión está completamente aislado de la atmósfera durante toda la operación de soldeo (acción de soldar). De no ser así, tanto el oxígeno como el nitrógeno del aire serán absorbidos por el metal en estado de fusión y la soldadura quedará porosa y frágil.

En este tipo de soldadura se utiliza como medio de protección un chorro de gas que impide la contaminación de la junta. Tanto este como el siguiente proceso de soldeo tienen en común la protección del electrodo por medio de dicho gas. La soldadura por electrodo no consumible, también llamada TIG (siglas de Tungsten Inert Gas), se caracteriza por el empleo de un electrodo permanente que normalmente, como indica el nombre, es de tungsteno (figura 1.18).

FIGURA 1.17

Este método de soldadura se patentó en 1920 pero no se empezó a utilizar de manera generalizada hasta 1940, dado su costo y complejidad técnica.

A diferencia que en las soldaduras de electrodo consumible, en este caso el metal que formará el cordón de soldadura debe ser añadido externamente, a no ser que las piezas a soldar sean específicamente delgadas y no sea necesario. El metal de aportación debe ser de la misma composición o similar que el metal base; incluso, en algunos casos, puede utilizarse satisfactoriamente como material de aportación una tira obtenida de las propias chapas a soldar.

La inyección del gas a la zona de soldeo se consigue mediante una canalización que llega directamente a la punta del electrodo, rodeándolo. Dada la elevada resistencia a la temperatura del tungsteno (funde a 3410 ºC( 6170ºF)), acompañada de la protección del gas, la punta del electrodo apenas se desgasta tras un uso prolongado. Es conveniente, eso sí, repasar la terminación en punta, ya que una geometría poco adecuada perjudicaría en gran medida la calidad del soldado. Respecto al gas, los más utilizados son el argón, el helio, y mezclas de ambos. El helio, gas noble (inerte, de ahí el nombre de soldadura por gas inerte) es más usado en los Estados Unidos, dado que allí se obtiene de forma económica en yacimientos de gas natural. Este gas deja un cordón de soldadura más achatado y menos profundo que el argón. Este último, más utilizado en Europa por su bajo precio en comparación con el helio, deja un cordón más triangular y que se infiltra en la soldadura. Una mezcla de ambos gases proporcionará un cordón de soldadura con características intermedias entre los dos.

La soldadura TIG se trabaja con corrientes continua y alterna. En corriente continua y polaridad directa, las intensidades de corriente son del orden de 50 a 500 amperios. Con esta polarización se consigue mayor penetración y un aumento en la duración del electrodo. Con polarización inversa, el baño de fusión es mayor pero hay menor penetración; las intensidades oscilan entre 5 y 60 A. La corriente alterna combina las ventajas de las dos anteriores, pero en contra da un arco poco estable y difícil de cebar.

FIGURA 1.18

La gran ventaja de este método de soldadura es, básicamente, la obtención de cordones más resistentes, más dúctiles y menos sensibles a la corrosión que en el resto de procedimientos, ya que el gas protector impide el contacto entre la atmósfera y el baño de fusión. Además, dicho gas simplifica notablemente el soldeo de metales no ferrosos, por no requerir el empleo de desoxidantes, con las deformaciones o inclusiones de escoria que pueden implicar. Otra ventaja de la soldadura por arco con protección gaseosa es la que permite obtener soldaduras limpias y uniformes debido a la escasez de humos y proyecciones; la movilidad del gas que rodea al arco transparente permite al soldador ver claramente lo que está haciendo en todo momento, lo que repercute favorablemente en la calidad de la soldadura. El cordón obtenido es por tanto de un buen acabado superficial, que puede mejorarse con sencillas operaciones de acabado, lo que incide favorablemente en los costos de producción. Además, la deformación que se produce en las inmediaciones del cordón de soldadura es menor(figura 1.19).

1.3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS 1.3.1 DEFINICIÓN

Es el proceso al que se someten los metales con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento

FIGURA 1.19

Esquema para soldadura TIG.

DIRECCIÓN DE LA SOLDADURA CORRIENTE GAS DE PROTECCIÓN TUBO DE CONTACTO ELECTRODO DE TUGSTENO NO CONSUMIBLE CORDÓN ATMOSFERA INERTE PLACA DE RESPALDO DE COBRE OPCIONAL ARCO ELÉCTRICO VARRILLA DE APORTE PUNTA TIG (GTAW)

los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos. 1.3.2 PRINCIPALES TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son:

Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950ºC(1652-1742 ºF)) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera.

Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.

Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenización (800-925ºC(1472-1697°F)) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.

Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

1.3.3 TRATAMIENTO TÉRMICO DE SOLDADURA

El interrogante que surge cuando se estudia este tema es preguntarse que tiene de particular o diferente el tratamiento térmico de soldadura con respecto a los tratamientos térmicos de elementos de máquinas.

El tratamiento térmico de soldadura se aplica generalmente a equipos de gran tamaño y difíciles de movilizar (recipientes). En otros casos la parte a tratar esta fija y es imposible separarla físicamente del conjunto (tuberías ya montadas).

Cuando es posible, se lleva a cabo calentando integralmente todo el equipo, la forma más sencilla es la utilización de un horno, cuando el tamaño del equipo y su ubicación lo permite.

Usualmente se presenta el problema en el que no hay hornos en donde quepa el equipo o que el horno se encuentra alejado del lugar de fabricación y la movilización del equipo es costosa, o inconveniente.

En estos casos el tratamiento térmico de soldadura se realiza "en sitio" al equipo entero como ocurre con los tanques esféricos de gas licuado a los que se aísla completamente y se les calienta desde el interior y a veces localizadamente en los cordones de soldadura

Desde el punto de vista del material también hay algunas diferencias importantes:

Los aceros soldables tienen un contenido de carbono limitado a valores de alrededor de 0,2 % con el objeto de limitar la templabilidad (que implica dureza) de los mismos ya que ésta última es inversamente proporcional a la soldabilidad.

Los aceros soldables se especifican generalmente con orientación hacia las propiedades mecánicas (Normas ASTM) con una considerable amplitud en la composición química. Por ejemplo los casos de ASTM 514 y 517 son especificaciones para chapas (láminas delgadas de metal) de alta resistencia y para recipientes a presión respectivamente. Cada una contiene varias composiciones que pueden proveer las Propiedades Mecánicas requeridas.

En cambio los aceros de construcción de máquinas se especifican con límites estrictos de composición química (Especificaciones SAE) dejando las propiedades mecánicas libradas a los diferentes tratamientos térmicos que el fabricante de la pieza estipule durante el proceso de fabricación. La composición química es por lejos el criterio más utilizado para la designación de los aceros seguido por las especificaciones basadas en las propiedades mecánicas.

La mayoría de los tratamientos térmicos de soldadura son subcríticos y no de recristalización alotrópica (austenización) como ocurre en los aceros de construcción de elementos de máquinas (ejes, engranajes, etc.). A continuación se muestra esquemáticamente los diferentes métodos de tratamientos térmicos de soldadura.

En este capítulo se mencionarán dos de los sistemas, los cuales son los más usados.

1.3.4 TRATAMIENTO TERMICO INTEGRAL

-Horno estacionaro -Horno portátil

-Calefaccionado interno con quemadores de alta velocidad Tratamiento Térmico de soldadura Integral localizado -Resistencias electricas -Inducción

-Radiación con lámpara de cuarzo

-Exotérmico -Llama

-Calefactores flexibles -Metodo de la mampara

Horno Fijo o Estacionario.

Como su nombre lo indica son hornos fijos, construidos dentro de una planta y los equipos deben ser llevados al mismo e introducidos generalmente con grúas puente. El piso de estos hornos suele ser móvil para facilitar la carga y descarga. En el caso de hornos antiguos la aislación térmica está realizada con ladrillos refractarios. En los modernos la aislación es de fibra cerámica, que posee una inercia térmica menor disminuyendo los tiempos de tratamiento y el gasto de combustible.

Hornos Portátiles, o Modulares.

Son hornos desarmables que se pueden llevar al lugar donde se esta fabricando el o los equipos. Se llevan los módulos en vehículos y se arman a medida del tamaño de los equipos a tratar. Tienen la ventaja de poderse modificar las dimensiones agregando o quitando módulos (figura 1.20).

La principal desventaja es su alto costo de amortización. Están realizados con paneles revestidos exteriormente en chapa galvanizada e interiormente aislados con fibra cerámica. Al igual que los hornos fijos la medición de la Temperatura suele hacerse con termocuplas de ambiente, en este caso se debe estar seguro de la uniformidad de temperatura en todos los puntos del horno. Es importante que los quemadores no incidan sobre el equipo a tratar ya que pueden producirse sobrecalentamientos localizados que aumentan el tamaño de grano y producen estructuras frágiles.

1.3.5 TRATAMIENTO TÉRMICO LOCALIZADO.

Durante la fabricación en taller, las soldaduras son tratadas como vimos anteriormente, en

FIGURA 1.20

Soldada y el material base adyacente pueden ser calentados localmente por uno de los métodos descritos a continuación.

MÉTODO DE CALENTAMIENTO SE APLICA AL

Resistencias Eléctricas TTPS* o PC*

Inducción TTPS o PC

Llama PC

Radiación por calefactores a gas tipo infrarrojo PC

Radiación con lámparas de cuarzo PC

Exotérmico TTPS

*TTPS: Tratamiento Térmico para Soldadura. PC: Proceso de Calentamiento

En el caso de tratamiento térmico de soldadura es muy común utilizar el tratamiento localizado sólo en la zona de la soldadura (se calienta una banda a cada lado del cordón soldado, cuyo ancho está especificado en los códigos).Hay básicamente dos tecnologías diferentes cada una con su aplicación aprovechando la ventajas de una u otra. Un método es el calentamiento por resistencias eléctricas y el otro es el calentamiento por inducción. Es importante aclarar que el tratamiento localizado sólo puede ser aplicado a geometrías que permitan la libre dilatación como son las soldaduras circunferenciales.

Las soldaduras longitudinales y las uniones soldadas de conexiones a envolventes no deben tratarse localizadamente pues el material frío aledaño a la zona calentada no permite a ésta la libre dilatación. En el caso de costuras longitudinales la zona calefaccionada no puede dilatarse libremente en la dirección del cordón y en el caso de conexiones a envolvente si calefaccionamos el círculo alrededor de la conexión este no puede dilatarse por que está restringido por el material frío alrededor de él. En estos casos el material tiende a dilatarse en la dirección del espesor y como está caliente y blando por el efecto de la temperatura, se deforma plásticamente en esa dirección.

Cuando la costura longitudinal se enfría, debería contraerse en esa dirección pero el material aledaño que está frío no se lo permite creándose de esta manera, tensiones residuales longitudinales. En el caso de una conexión a envolvente ocurre algo similar quedando tensiones radiales y tangenciales en el círculo calentado. Si bien esto es así y ASME no permite realizar TTPS localizados en juntas soldadas longitudinales el Welding Institute recomienda en casos excepcionales hacerlo con valores de ancho de banda suficientemente altos que reducen las tensiones térmicas a valores casi nulos.

1.3.5.1 CALENTAMIENTO POR LLAMA.

En calentamientos localizados de soldaduras con una o más llamas (torchas), la operación de calentamiento es más un arte que una ciencia. La cantidad de calor aportado y la

combustión sino también del ajuste de la llama, la distancia entre la llama y la soldadura, el manejo de la llama por el operador, y el control de las pérdidas de calor a la atmósfera. En vista de lo anterior es preferible la utilización de otros métodos.

El calentamiento por llama es útil en precalentamiento de soldadura a bajas temperaturas (200°C (392°F)) o piezas pequeñas. Este método debe aplicarse con cuidado y sólo por un operador / supervisor con experiencia. Tiene una mínima precisión, repetibilidad, y mínima uniformidad de temperatura. El riesgo de dañar la soldadura es realmente alto.

1.3.6 MEDICIÓN DE TEMPERATURA

En la utilización de tratamientos térmicos es necesario medir la temperatura. La determinación visual de temperaturas por intermedio del color sin la ayuda de instrumentos debe evitarse tanto debido a la falta de precisión como a la dependencia en la destreza del operador.

Se pueden utilizar lápices y pinturas de temperatura, termocuplas o pirómetros ópticos, dentro de los más utilizados para medir y/o controlar la temperatura.

En la figura 1.21 se aprecia que la temperatura de PC debe ser medida a suficiente distancia de la línea de la soldadura (75mm) sobre el lado opuesto al calefaccionado. Si la temperatura solo puede controlarse del lado calefaccionado, la fuente de calor debe retirarse durante 1 minuto por cada pulgada de espesor para permitir la igualación de temperatura antes del control de la misma. “Welding steels without Hydrogen cracking” The Welding Institute.

LÁPICES DE TEMPERATURA

FIGURA 1.21

Estos elementos tienen una composición química tal, que funden cuando la temperatura supera su punto de fusión. Si el lápiz de temperatura funde, marca el metal y eso significa que la temperatura de este está por encima de la temperatura de fusión del lápiz. Aun así no sabemos cuanto por encima, por eso se usan dos lápices para determinar entre que temperaturas realmente está el metal. Por supuesto debe haber acceso a las superficies a marcar. Es un método idóneo para PC (figura 1.22).

PIRÓMETRO

Este dispositivo es capaz de medir la temperatura de material sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600ºC (1112ºF). Una aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones.

Uno de los pirómetros más comunes es el pirómetro de absorción-emisión, que se utiliza para determinar la temperatura de gases a partir de la medición de la radiación emitida por una fuente de referencia calibrada, antes y después de que esta radiación haya pasado a través del gas y haya sido parcialmente absorbida por éste. Ambas medidas se hacen en el mismo intervalo de las longitudes de onda.

Para medir la temperatura de un metal incandescente, se observa éste a través del pirómetro, y se gira un anillo para ajustar la temperatura de un filamento incandescente proyectado en el campo de visión. Cuando el color del filamento es idéntico al del metal, se puede leer la temperatura en una escala según el ajuste del color del filamento. A continuación se muestra un pirómetro infrarrojo (figura 1.23).

FIGURA 1.22