MICROESTRCUTURA DE TUBO DE CALDERA.pdf

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(1)INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS. SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN METALURGIA Y MATERIALES. “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS” TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA METALÚRGICA. PRESENTA ING. B. ALEJANDRA SANTANA RIVAS DIRECTOR DE TESIS DR. JORGE LUIS GONZÁLEZ VELÁZQUEZ. MÉXICO, D.F.. ENERO 2011.

(2) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. i.

(3) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. ii.

(4) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. DEDICATORIA. A mi esposo David Israel Hernández Luna Él que ha sido mi amigo, compañero, cómplice, inspiración y el gran amor de mi vida, quién me ha apoyado en cada una de los proyectos y ha estado a mi lado en las etapas más importantes de mi vida, con quién conocí que el amor existe siempre que estemos juntos.. A mis hijos Ari e Ian Hernández Santana A quienes amo con toda mi alma y que llegaron a nuestras vidas en el mejor momento y quienes así de chiquitos ya me están enseñando lo hermosa que es la vida si la vivo a su lado.. iii.

(5) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. AGRADECIMIENTOS Al Instituto Politécnico Nacional (IPN), a la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE) y al departamento de Ingeniería Metalúrgica y Materiales (DIMM) por haberme abierto las puertas de esta institución para continuar con mi formación profesional. Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y al Grupo de Análisis e Integridad de Ductos por la beca otorgada, gracias a estas fue posible la culminación de este trabajo. Al Dr. Jorge Luis González Velázquez por haber creído en mi y aceptarme como su alumna, por sus enseñanzas, consejos y por ser un gran ejemplo a seguir. Al Dr. Diego Israel Rivas López y al Dr. Héctor Javier Dorantes Rosales por su ayuda, consejos, correcciones, enseñanzas, comprensión y equipos brindados, sin ellos no hubiera sido posible la realización de este trabajo. A los doctores: Víctor Manuel López Hirata Jesús Gilberto Godínez Salcedo Manuela Díaz Cruz Por sus enseñanzas, apoyo y correcciones no solo en este trabajo sino también durante mis estudios de Maestría. A la empresa Calderas y Equipos Térmicos S.A. (CETSA), en particular al Ing. Rogelio García Coronado por su interés en este trabajo y por proporcionarme el material. Al los miembros del Grupo de Análisis e Integridad de Ductos (GAID) por su ayuda y enseñanzas durante todo este tiempo. A Fanny Viviana González Guzmán por su gran ayuda y amistad, a Susana, Lizbeth, Jorge, Ceci por sus consejos, apoyo y amistad.. iv.

(6) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. AGRADECIMIENTOS Yolanda y Silvia Santana, mis mamás por haberme formado y por ser mi guía, ejemplo, por enseñarme a luchar por mis sueños, por todo su amor. Silvita, porque aunque ya no estés aquí, me sigues dando lecciones. Yolanda, por estar aquí, por echarle tantas ganas… y por ayudarme tanto… Ismael Santana, carnalito porque siempre has sido mi ejemplo, por estar siempre a mi lado y por el apoyo que siempre me has dado, por ser tan importante en mi vida… Mi suegra, Margarita Hernández, por su incondicional ayuda, apoyo, cariño y consejos… Mi cuñada, Laura Hernández y a Evangelina Flores por su valiosa amistad, apoyo y cariño. A mi prima – tía Hilda Corona, por ser mucho más que una prima o una tía, por tu cariño, consejos y mucho más. A María de Lourdes y Aidea Peñaloza por estar en mi vida en los momentos que más las he necesitado y por su amistad. A mis amigas incondicionales Xanat, Berenice e Imelda, por sus palabras y apoyo en momentos difíciles y por acompañarme en los más felices.. v.

(7) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. ÍNDICE LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................................................... ix LISTA DE TABLAS ....................................................................................................................................... xiii RESUMEN ................................................................................................................................................... xv ABSTRACT ................................................................................................................................................. xvi CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 1 CAPÍTULO II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ..................................................................................................... 2 2.1. Generalidades sobre calderas e intercambiadores de calor. ..................................................................... 2 2.1.1. Temperaturas típicas y de operación. .............................................................................................. 2 2.1.2. Diseño y construcción de los tubos. ................................................................................................ 2 2.1.3. Materiales utilizados en tubería de recipientes a presión. .................................................................. 4 2.1.4. Problemas relacionados en tubos por la exposición a altas temperaturas. .......................................... 4 2.1.5. Casos prácticos de componentes fallados en refinerías por exposición a alta temperatura. .................. 6 2.1.6. Estudios de degradación de propiedades mecánicas a alta temperatura. ......................................... 10 2.2. Microestructura y propiedades de aceros ferríticos. ............................................................................... 10 2.3. Propiedades y comportamiento mecánico. ........................................................................................... 11 2.3.1. Mecanismos de endurecimiento.................................................................................................... 11 2.4. Evolución microestructural por exposición a alta temperatura. ................................................................ 12 CAPITULO III. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ........................................................................................... 13 3.1. Procedimiento experimental. ............................................................................................................... 13 3.2. Materiales. ........................................................................................................................................ 15 3.3. Pruebas de dureza y tensión. .............................................................................................................. 15 3.4. Metalografía. ..................................................................................................................................... 16 3.5. Equipos. ............................................................................................................................................ 16. vi.

(8) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. CAPITULO IV. RESULTADOS ....................................................................................................................... 17 4.1. Caracterización inicial del material. ...................................................................................................... 17 4.1.1. Análisis químico. ......................................................................................................................... 17 4.1.2. Propiedades mecánicas (dureza y tensión). ................................................................................... 17 4.1.3. Caracterización mediante microscopía óptica................................................................................. 18 4.2. Caracterización del material expuesto a ciclos y exposición continua a 600° C. ....................................... 20 4.2.1. Propiedades mecánicas. .............................................................................................................. 20 4.2.1.1. Dureza................................................................................................................................. 20 4.2.1.2. Ensayo de tensión. ............................................................................................................... 21 4.2.1.2.1 Material A 179. .................................................................................................................. 21 4.2.1.2.2 Material A 192. .................................................................................................................. 23 4.3. Caracterización fractográfica. .............................................................................................................. 24 4.3.1. Material A 179. ........................................................................................................................... 24 4.3.2. Material A192.............................................................................................................................. 26 4.4. Caracterización microestructural mediante microscopio electrónico de barrido......................................... 27 4.4.1. Material A179.............................................................................................................................. 27 4.4.1.1 Ciclos térmicos. .................................................................................................................... 27 4.4.1.2. Exposición prolongada. ........................................................................................................ 30 4.4.2. Material A 192. ............................................................................................................................ 35 4.4.2.1 Ciclos térmicos. .................................................................................................................... 35 4.4.2.2. Exposición prolongada. ........................................................................................................ 38 CAPÍTULO V. ANALISIS DE RESULTADOS ................................................................................................... 43 5.1. Propiedades mecánicas...................................................................................................................... 43 5.1.1. Dureza. ...................................................................................................................................... 43. vii.

(9) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. 5.1.2. Pruebas de tensión uniaxial. ......................................................................................................... 43 5.3. Superficies de fractura. ....................................................................................................................... 44 5.3.1 Material A 179.............................................................................................................................. 44 5.3.2 Material A 192.............................................................................................................................. 44 5.4. Microscopía electrónica de barrido....................................................................................................... 44 5.4.1 Material A 179.............................................................................................................................. 44 CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 50 ANEXO 1 ..................................................................................................................................................... 51 REFERENCIAS............................................................................................................................................ 57. viii.

(10) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. LISTA DE FIGURAS Figura. Descripción. 1. Aspecto original de las grietas en tubos ASTM A 213-T11 pertenecientes a una caldera.. 6. 2. Microestructura de los tubos ASTM A 213-T11 fallados, sobresaliendo la degradación microestructural.. 6. 3. Aspecto original del los tubos SA 210-A1 y un SA 213-T22 de un supercalentador.. 7. 4. Microestructura del tubo SA 210-A1 de un horno, sobresaliendo la degradación de la perlita en el lado caliente de la sección transversal.. 7. 5. Microestructura del tubo SA 213-T22, con índicos de crecimiento de grano como resultado del calentamiento.. 7. 6. Aspecto original del tubo del quemador ASTM A 335-GP5.. 8. 7. Microestructura del tubo del quemador del material ASTM A 335-GP5, consistente en una matriz ferrítica y colonias de perlita en una etapa intermedia de globulización que es evidencia de sobrecalentamiento.. 8. 8. Aspecto original de la conexión Weldolet del material ASTM 182-F 321.. 8. 9. Superficie de fractura en la zona media de la grieta principal del material ASTM 182 grado F 321 de la conexión Weldolet. La fractura es completamente intergranular.. 9. 10. Aspecto original de la sección de tubo del calentador a fuego directo del material ASTM A 335-P9.. 9. 11. Microestructura del material ASTM A 335-P9 con indicios de recristalización.. 9. 12. Diagrama de bloques de la metodología experimental.. ix. Página. 13.

(11) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. Figura. Descripción. Página. 13. Esquema de ciclos térmicos.. 14. 14. Esquema de exposición continua.. 14. 15. Pasos seguidos para la preparación del material (a) Sección de tubo original, (b) corte y montaje para metalografía, c) corte y rectificado de piezas para análisis químico y dureza, y d) probetas de tensión.. 15. 16. Direcciones superficial y transversal de los tubos que se analizaron en la experimentación.. 16. 17. Micrografías de las inclusiones en el material A 179 a) en la dirección superficial y b) en la dirección transversal y del material A 192 c) en la dirección superficial y d) en la dirección transversal.. 19. 18. Micrografías del material A 179 a) en la dirección superficial y b) en la dirección transversal y del material A 192 c) en la dirección superficial y d) en la dirección transversal.. 20. 19. Comportamiento de la dureza del material A 179 sometido a ciclos térmicos y a exposición continua a 600° C.. 21. 20. Gráficas que muestran el comportamiento del material A 179 en tensión uniaxial.. 22. 21. Gráficas que muestran el comportamiento del material A 192 en tensión uniaxial.. 24. 22. Probetas de tensión y superficies de fractura para el material A 179.. 25. 23. Probetas de tensión y superficies de fractura para el material A 192.. 26. 24. Microestructura del material A 179 en la superficie expuesta a 600° C en ciclos, a) Antes de ciclos, b) 30, c) 60, d) 90, e) 120, f) 150 y g) 180.. 28. 25. Secuencia Microestructura del material A 179 transversal expuesta a 600° C en ciclos, a) Antes de ciclos, b) 30, c) 60, d) 90, e) 120, f) 150 y g) 180.. 29. x.

(12) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. Figura. Descripción. 26. Microestructura del material A 179 en la superficie expuesta a 600° C en exposición continua a) Antes de exposición, b) 30, c) 60, d) 90, e) 120, f) 150 g) 180 y h) 300 horas.. 30. 27. Secuencia micrográfica electrónica de barrido de la muestra A 179 desde vista transversal, a) Antes de exposición, b) 30, c) 60, d) 90, e) 120, f) 150 g) 180 y h) 300 horas.. 31. 28. Dimensiones de las laminillas de perlita del material A 179 en la dirección superficial para ciclos térmicos y exposición continua a 600° C.. 33. 29. Dimensiones de las laminillas de perlita del material A 179 en la dirección transversal para ciclos térmicos y exposición continua a 600° C.. 33. 30. Evolución del radio promedio del material A 179 superficial para ciclos térmicos y exposición prolongada.. 34. 31. Evolución del radio promedio del material A 179 transversal para ciclos térmicos y exposición prolongada.. 35. 32. Microestructura del material A 192 en la superficie expuesta a 600° C en ciclos, a) Antes de ciclos, b) 30, c) 60, d) 90, e) 120, f) 150 y g) 180.. 36. 33. Microestructura del material A 192 transversal expuesta a 600° C en ciclos al, a) Antes de ciclos, b) 30, c) 60, d) 90, e) 120, f) 150 y g) 180.. 37. 34. Microestructura del material A 192 en la superficie expuesta a 600° C en exposición continua, a) Antes de exposición, b) 30, c) 60, d) 90, e) 120, f) 150 g) 180 y h) 300 horas.. 39. 35. Secuencia Microestructura del material A 192 transversal expuesta a 600° C en exposición continua, a) Antes de exposición, b) 30, c) 60, d) 90, e) 120, f) 150 g) 180 y h) 300 horas.. 40. 36. Dimensiones de las laminillas de perlita del material A 192 en la dirección superficial para ciclos térmicos y exposición continua a 600° C.. 41. xi. Página.

(13) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. Figura. Descripción. 37. Dimensiones de las laminillas de perlita del material A 192 en la dirección transversal para ciclos térmicos y exposición continua a 600° C.. 41. 38. Evolución del radio promedio del material A 179 superficial para ciclos térmicos y exposición prolongada.. 42. 39. Evolución del radio promedio del material A 192 transversal para ciclos térmicos y exposición prolongada.. 42. 40. Evolución microestructural de las colonias de perlita del material A 179 en la superficie a 600° C.. 46. 41. Evolución microestructural de las colonias de perlita del material A 192 en la superficie a 600° C.. 48. 42. Aspecto de forma del material A 179 expuesto a 600° C.. 49. 43. Aspecto de forma del material A 192 expuesto a 600° C.. 49. xii. Página.

(14) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. LISTA DE TABLAS. Tabla. Descripción. Página. 1. Presión máxima de trabajo permitida para tubos de acero sin costura para recipientes a presión. [6]. 2. 2. Especificación ASTM para tubería de recipientes a presión. [1]. 4. 3. Composición química de los tubos ASTM A 179 y A 192.. 17. 4. Dureza Rockwel B de los tubos ASTM A 179 y A 192.. 17. 5. Propiedades de los tubos ASTM A 179 y A 192 en tensión.. 18. 6. Parámetros estereológicos del acero A 179 y A 192.. 18. 7. Propiedades mecánicas en tensión del material ASTM A 179.. 21. 8. Propiedades mecánicas en tensión del material ASTM A 192.. 23. 9. Dureza del material A 179 en función del tiempo de exposición a 600° C.. 51. 10. Dureza del material A 192 en función del tiempo de exposición a 600° C.. 51. 11. Mediciones de largo y ancho de laminillas de perlita del material A 179 superficial a los distintos tiempos de exposición.. 52. 12. Mediciones de largo y ancho de laminillas de perlita del material A 179 transversal a los distintos tiempos de exposición.. 52. 13. Mediciones de largo y ancho de laminillas de perlita del material A 192 superficial a los distintos tiempos de exposición.. 53. 14. Mediciones de largo y ancho de laminillas de perlita del material A 192 transversal a los distintos tiempos de exposición.. 53. 15. Mediciones de radio crítico del material A 179 superficial a los distintos tiempos de exposición.. 54. xiii.

(15) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. Tabla. Descripción. Página. 16. Mediciones de radio crítico del material A 179 transversal a los distintos tiempos de exposición.. 54. 17. Mediciones de radio crítico del material A 179 transversal a los distintos tiempos de exposición.. 55. 18. Mediciones de radio crítico del material A 192 transversal a los distintos tiempos de exposición.. 55. 19. Aspecto de forma del material A 179 a los distintos tiempos de exposición a 600° C.. 56. 20. Aspecto de forma del material A 192 a los distintos tiempos de exposición a 600° C.. 56. xiv.

(16) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados de la aplicación de ciclos térmicos y exposición continua de dos aceros ASTM A 179 y A192 utilizados frecuentemente en la tubería de conducción de calderas e intercambiadores de calor. Los ciclos térmicos fueron aplicados para simular las condiciones de paro-arranque que se presentan en estos equipos. La caracterización de la evolución microestructural se realizó mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) y la caracterización de las propiedades mecánicas mediante mediciones de dureza Rockwell B y ensayos de tensión. Los ciclos térmicos consistieron en la exposición de los materiales de prueba a 600°C durante 1 hora seguidos de un enfriamiento al aire. Se obtuvieron muestras de 30, 60, 90, 120, 150 y 180 ciclos. Paralelamente, se realizaron tratamientos de exposición prolongada manteniendo diferentes muestras durante 30, 60, 120, 150, 180 y 300 horas, seguidas de un enfriamiento al aire. Los resultados mostraron que la microestructura inicial consiste de granos equiaxiales de la fase ferrita y colonias perlíticas de laminillas alternadas de las fases ferrita y cementita (Fe3C) característica de este tipo de aceros. Durante los tratamientos de ciclos o exposición continua, las laminillas de Fe3C de las colonias perlíticas presentan un rompimiento, seguido de una aparente disolución en la matriz ferrítica y precipitación en el límite de grano. Finalmente, se determino que la Fe3C se encuentra principalmente en el límite de granos y globulizadas dentro de la matriz de ferrita. Adicionalmente, los resultados mostraron una mayor cinética de degradación de las colonias laminares perlíticas a ser sometidas a ciclos térmicos en comparación con la exposición continua. Los resultados de los ensayos de tensión de ambos materiales mostraron una ligera disminución en el esfuerzo último de tensión durante los ciclos térmicos. Se realizó en análisis fractográfico mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) encontrándose para ambos materiales una fractura de tipo dúctil con ligeros cambios en la apariencia de la fractura relacionada con el diámetro y cantidad y profundidad de los microhuecos. El análisis de los resultados evidencian que la escasa variación de las propiedades mecánicas se atribuye al remplazo del mecanismo de fortalecimiento de mezcla de fases a endurecimiento por partículas finas que compensa el efecto de la destrucción de las colonias de perlita.. xv.

(17) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. ABSTRACT This work presents the results of the application of thermal cycles and continuous exposure to two steels ASTM A 179 and A192 used frequently in the drop pipe boiler and heat exchangers. The thermal cycles were applied to simulate the conditions of stop-start presented on these equipments. The Microstructural characterization of the evolution was performed using scanning electron microscopy (SEM) and the characterization of mechanical properties by Rockwell B hardness measurements and tensile testing. A thermal cycle consisted of a treatment at 600 ° C for 1 hour followed by air cooling. Different thermal cycles were applied to obtain 30, 60, 90, 120, 150 and 180 cycles. Parallel, were maintaining prolonged exposure treatments for 30 different samples, 60, 120, 150, 180 and 300 hours, followed by air cooling. The results showed that the initial microstructure consists of equiaxial grains of ferrite phase pearlite lamellar colonies of alternating ferrite and cementite phases (Fe3C). During the treatment cycles or prolonged exposure, the lamellae Fe3C of pearlite colonies have a break, followed by an apparent solution in the ferrite matrix and precipitation in the grain boundary. Finally, it was determined that the Fe3C is found mainly in the grain boundary and globulization within the ferrite matrix. Additionally, results showed greater degradation kinetics of the pearlite lamellar colonies by thermal cycling in comparison with prolonged exposure. The results of stress tests of both materials showed a decrease in the Ultimate Tensile Strength during thermal cycling. The fractografic analysis by scanning electron microscopy (SEM) show that for both materials the fracture is ductile and can see slight changes in the appearance of the fracture related to the diameter and quantity and depth of microholes. The analysis results show that the small variation in mechanical properties is attributed to the replacement of the mechanism of strengthening phases hardening mixture of fine particles which offsets the effect of the destruction of the colonies of pearlite.. xvi.

(18) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN Las calderas e intercambiadores de calor se diseñan para operar a temperatura constante y en función de esto se selecciona el material (composición química, espesor y propiedades mecánicas), los materiales típicos son los aceros ferríticos bajo carbono y sin aleación, dentro de los cuales se encuentran el ASTM A 179 y el A 192 (con 0.06 – 0.18 % de Carbono y en el caso del A 192 con un máximo de 0.25% de Silicio [1]). Los tubos de acero fabricados bajo la especificación ASTM A 179 y A 192 trabajan en un intervalo de temperaturas que oscila entre 450 °C y 480, °C [2] durante el servicio, estos componentes son enfriados hasta temperatura ambiente, debido a ciclos de paro-arranque propios de las condiciones normales de operación, mantenimiento y/o falla. Se sabe que estos ciclos térmicos en ocasiones contribuyen a la falla de dichos tubos debido a la disminución en las propiedades mecánicas como son la dureza así como a la degradación microestructural. [3] Sin embargo, a pesar de este conocimiento a nivel práctico no se conocen los efectos cuantitativos de los ciclos térmicos en estos dos aceros que son los de uso más común. En esta tesis se investigó la diferencia entre la exposición a alta temperatura de forma continua y de manera intermitente (ciclos de calentamiento – enfriamiento) de los aceros A 179 y A 192. La experimentación del trabajo consistió en la caracterización metalográfica del material en su condición original y en las dos distintas condiciones de exposición a alta temperatura. También, se realizó la caracterización de las propiedades mecánicas en las distintas condiciones de prueba mediante ensayos de tensión y dureza. Finalmente, se evaluó la evolución microestructural generada por la exposición a alta temperatura de forma continua y de manera intermitente de los especímenes de prueba utilizando la microscopía electrónica de barrido (MEB). La exposición intermitente de los materiales de prueba se realizó mediante la generación de ciclos térmicos, los cuales consistieron en el calentamiento del material dentro de un horno a 600° C durante una hora y su posterior enfriamiento al aire hasta temperatura ambiente, dicha secuencia de calentamiento-enfriamiento fue repetida de manera tal que, el número ciclos equivale al número de horas que el material permaneció a 600° C. Por otro lado, la exposición continua simplemente consistió en dejar dentro del horno a 600° C por las horas requeridas los materiales de prueba. Para establecer las comparaciones entre las dos condiciones de exposición se generaron muestras tanto para exposición continua como intermitente, donde las horas de exposición a alta temperatura fueran las mismas. Los tiempos de exposición analizados fueron de 30, 60, 90, 120, 150 y 180 horas en ciclos y 30, 60, 90, 120, 150, 180 y 300 horas de exposición continua. Los resultados anteriores permitieron determinar la diferencia en el comportamiento mecánico y evolución microestructural de los aceros ferríticos sin alear ASTM A 179 y A 192 al ser sometidos a dos distintos regímenes de exposición a alta temperatura (continua e intermitente), proveyendo de esta manera a las personas encargadas de evaluar el estado de integridad mecánica de las calderas e intercambiadores de calor de criterios específicos para realizar tales evaluaciones de manera objetiva y específica.. 1.

(19) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. CAPÍTULO II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1. Generalidades sobre calderas e intercambiadores de calor. Un intercambiador de calor es un dispositivo de transferencia térmica diseñado para transferir calor entre dos medios. Tiene diversas aplicaciones, por ejemplo un intercambiador de calor calienta y enfría dos fluidos, un condensador condensa un vapor, un enfriador enfría un fluido por medio de agua, un calentador proporciona calor, un vaporizador es un calentador que vaporiza el líquido. [4] Una caldera es una forma de cambiador de calor cuya finalidad es generar vapor saturado. Este vapor se genera a través de un fluido que originalmente en estado líquido que circula a través de unos tubos a los cuales se les aplica calor para provocar que se calienten hasta generar vapor. [5] En estos equipos, los fluidos circulan a través de tubos, los cuales se seleccionan en base a la temperatura, presión y tipo de fluido que transporte.. 2.1.1. Temperaturas típicas y de operación. A continuación en la tabla 1 se presenta las presiones máximas de trabajo permitidas en tubos de acero sin costura para calderas e intercambiadores de calor, mismos que se dan en función del diámetro exterior del tubo. [6]. Tabla 1. Presión máxima de trabajo permitida para tubos de acero sin costura para recipientes a presión. [6] DIÁMETRO EXTERIOR DEL TUBO (pulg) 1 1½ 2 2½ 3 3½ 4 5. PRESIÓN MÁXIMA PERMITIDA DE TRABAJO (lb/pulg2) 270-780 230-1770 210-1860 200-1770 190-1770 220-1950 490-1920 400-1890. Estos tubos generalmente se usan en un intervalo de temperaturas que oscila entre 450 y 480° C. [2]. 2.1.2. Diseño y construcción de los tubos. Los tubos de acero al carbón que se emplean en las calderas o intercambiadores de calor deben de cumplir las condiciones requeridas como son la presión y temperatura de trabajo. Debe de tener resistencia contra la. 2.

(20) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. deformación, corrosión por el vapor y gases de combustión así como contra la ruptura por tensión durante un periodo razonable de servicio. Los tubos para calderas e intercambiadores de calor pueden ser fabricados por dos métodos, estriado en frío o en caliente, se elige dependiendo de su tamaño, tolerancia y calidad del acabado. Así mismo hay dos métodos comunes de fabricación de tubería, el proceso sin costura y el proceso con costura o tubos soldados a tope. [6] Para los tubos sin costura, un bloque de acero redondo es perforado y estirado o extursionado a calibre, para producir un tubo sin costura ni soldadura, el metal se trabaja en caliente aunque el acabado de los tubos es mediante el estirado en frío, después del estirado en caliente, para lograr una superficie tersa, uniforme y una tolerancia estrecha en el calibre. Esta tubería se utiliza en calderas de alta presión y cuando el tamaño del tubo se encuentra fuera de los límites adecuados de la tubería con costura. [6] Los tubos con costura soldados a tope, se fabrican doblando una solera (cinta) para darle la forma tubular, después de lo cual se soldan los bordes uno con otro por medio de soldadura de resistencia eléctrica o por medio de soplete de oxiacetileno. Se usan para presiones bajas o medias en unidades estacionarias, calderas para calefacción, marinas o para locomotoras. Tienen una superficie tersa, mayor uniformidad en el grueso de la pared así como debido a la suavidad del material y a la uniformidad del grueso de la pared, se doblan e instalan con facilidad. [6]. 3.

(21) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. 2.1.3. Materiales utilizados en tubería de recipientes a presión. En la tabla 2 se presenta la especificación ASTM de tubería utilizada en recipientes a presión como calderas, intercambiadores de calor, recalentadores, condensador, supercalentadores entre otros, [1] mismos que se eligen en base a la temperatura, presión, fluidos y equipo.. Tabla 2. Especificación ASTM para tubería de recipientes a presión. [1] ASTM. ESPECIFICACIÓN. A 161. Tubos de acero bajo carbono o carbono-molibdeno sin costura para servicio en refinerías.. A 178. Tubos soldados por resistencia eléctrica de acero al carbono y carbono-manganeso para calderas y recalentadores. A 179. Tubos sin costura de acero al carbono-bajo formados en frío para Intercambiadores de calor y condensadores. A 192. Tubos sin costura de acero al carbono para calderas con alta presión de servicio. A 199. Tubos de acero aleado estirado a frío para intercambiador de calor y condensador.. A 200. Tubos de acero aleado sin costura para el servicio en refinerías. A 209. Tubos de acero aleado de carbono-molibdeno sin costura para caldera y sobrecalentador.. A 210. Tubos de acero al medio carbono para calderas y sobrecalentadores.. A 213. Tubos sin costura de acero ferrítico y de aleación para calderas, recalentadores e Intercambiadores de Calor. A 214. Tubos de acero al carbono con costura de resistencia eléctrica para intercambiadores de calor y condensadores.. A 226. Tubos de acero al carbono con costura de resistencia eléctrica para calderas y sobrecalentadores para servicio a alta presión.. A 250. Tubos de acero aleado de carbono-molibdeno con costura de resistencia eléctrica para calderas y sobrecalentadores.. A 254. Tubos de cobre soldado para uso general en líneas de fluidos.. A 334. Tubos de acero al carbono y aleado con costura y sin costura para servicio a baja temperatura.. A 423. Tubos sin soldadura y soldados por resistencia eléctrica de acero baja aleación para aplicaciones donde es importante la resistencia a la corrosión.. A 539 A 556 A 557. Tuberías de acero enrollado con costura de resistencia eléctrica para gas y líneas de aceite pesado. Tubos sin soldadura estriados en frío, de acero al carbono para alimentación de agua a calderas. Tubos de acero al carbón con soldadura por resistencia para alimentación de calderas.. A 692. Tubos sin costura de carbono-molibdeno para calderas y supercalentadores.. 2.1.4. Problemas relacionados en tubos por la exposición a altas temperaturas. En la práctica se reportan las siguientes causas de falla en tuberías y componentes de calderas de la siguiente forma: [8] Corrosión, . Corrosión acelerada provocada por la formación de una capa gruesa, porosa y frágil de magnetita que por sus características facilita el ataque corrosivo así como proporciona un incremento en la temperatura del tubo.. . Corrosión intergranular la cual se da por la susceptibilidad de los límites de granos del material a corroerse debido a los ciclos térmicos de fabricación o servicio y puede provocar el desprendimiento de los granos.. 4.

(22) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. . Corrosión por picaduras en la superficie de los componentes se formas zonas de corrosión preferencial que se profundizan con el tiempo produciendo las picaduras mismas que pueden perforar la tubería y son núcleos de grietas de fatiga o por corrosión esfuerzo (SCC).. . Oxidación y corrosión por cenizas en el lado de fuegos provocados por el alto contenido de vanadio, sodio y azufre en el combustible mismo que favorecen la formación de capas de óxido grueso. También se pueden tener capas gruesas de cenizas, las cuales a altas temperaturas se pueden fundir y producir corrosión líquida.. Depósitos . Depósitos en el lado de aguas provocada por residuos sólidos que se adhieren sobre las superficies y disminuyen el flujo y transferencia de calor, provocando una mayor temperatura que acelera la oxidación provocando sobrecalentamiento.. Erosión . Erosión provocada por partículas, agua o vapor, presentando pérdida de espesor de la tubería debido a la incidencia directa sobre ella de un chorro de partículas abrasivas, combustible, ceniza, agua o vapor.. Agrietamiento . Sobrecalentamiento de corta duración presentándose una importante expansión o protuberancia, las superficies de la grieta son delgadas debido al alargamiento de los granos en caliente, provocado generalmente por el contacto directo del tubo con la llama, combustible o cenizas incandescentes, obstrucción del tubo.. . Fatiga, generalmente provocado por ciclos de presión fuera de diseño, concentradores de esfuerzos, esfuerzos residuales, errores de diseño que generen vibración o dilataciones y contracciones térmicas altas. Las cargas de fatiga pueden provenir de ciclos de presión o vibraciones o también de ciclos térmicos (fatiga térmica) la corrosión acelera la velocidad del agrietamiento.. . Sobrecalentamiento de larga duración (CREEP) causado por la formación de depósitos en el interior de las tuberías aislándola térmicamente y provocando una ligera expansión del tubo y las superficies de la grieta son gruesas por la formación de microcavidades y la decohesión intergranular.. . Corrosión – Esfuerzo (SCC) formándose grietas múltiples e intergranulares provocado por el aumento de la dureza, esfuerzos residuales de soldadura y deficiencia en el tratamiento del agua de alimentación.. 5.

(23) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. 2.1.5. Casos prácticos de componentes fallados en refinerías por exposición a alta temperatura. Se han reportado casos en refinerías de calderas, calentadores e intercambiadores de calor que han salido de operación debido a la falla en sus componentes: En la figura 1 se observan tubos ASTM A 213- T11 pertenecientes a una caldera, los cuales presentaron grietas asociadas a exposición a altas temperaturas, lo que en consecuencia disminuyó la resistencia mecánica del acero, produciendo abombamientos y fisuras que ocasionaron la fuga de producto. Se determinó que dicho sobrecalentamiento fue producido por alguna de las siguientes dos causas: la incidencia directa de calor sobre la zona afectada, o la interrupción del flujo en los tubos que impidió la extracción del calor. En la figura 2, se observa una micrografía de la microestructura del material, en dónde nota la degradación microestructural que presentó el material.. Figura 1. Aspecto original de las grietas en tubos ASTM A 213 -T11 pertenecientes a una caldera.. Figura 2. Microestructura de los tubos ASTM A 213- T11 fallados, sobresaliendo la degradación microestructural.. La figura 3 muestra las fotografías de la falla de dos tubos de acero uno especificación SA 210- grado A1 y el otro SA 213-T22, pertenecientes a un supercalentador en los cuales se observó daño microestructural debido a exposición a alta temperatura. En el análisis se concluyó que el tubo SA 210 falló debido a la exposición prolongada a altas temperaturas, las cuales provocaron la degradación microestructural del material como se observa en la figura 4, lo que provocó la disminución de las propiedades mecánicas, impidiendo que el material soportara los esfuerzos inducidos por la presión interna. En el caso del tubo SA 213 de igual, la falla ocurrió debido a la. 6.

(24) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. degradación microestructural del material como se muestra en la figura 5 en conjunto con un alto contenido de azufre, situaciones que provocaron que el material no soportara los esfuerzos inducidos por la presión de trabajo.. Figura 3. Aspecto original del los tubos SA 210-A1 y un SA 213-T22 pertenecientes a un supercalentador.. Figura 4. Microestructura del tubo SA 210-A1 de un horno, sobresaliendo la degradación de la perlita en el lado caliente de la sección transversal.. Figura 5. Microestructura del tubo SA 213-T22, con índicos de crecimiento de grano como resultado del calentamiento.. En la figura 6 se muestra un tubo fallado de especificación ASTM A 335-GP5 perteneciente a un calentador, el cual exhibe una deflexión. El tubo mostró una microestructura degradada, donde las colonias de perlita se encontraron globulizadas en conjunto con el crecimiento de grano mismos, la evidencia de lo anterior se observa en la figura 7, la causa de degradación microestructural se asocia a la exposición a calor excesivo o sobrecalentamiento. Situación que pudo haber ocurrido por la falta de flujo o flujo lento del producto durante el arranque o paro del calentador o Incidencia de la flama directamente sobre los tubos afectados. Cabe destacar que la deflexión de tubo pudo haber ocurrido por deformación en el régimen de termofluencia (creep en inglés), que como se sabe, es la deformación de un material a través del tiempo y en alta temperatura, bajo esfuerzo constante.. 7.

(25) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. Figura 6. Aspecto original del tubo del quemador ASTM A 335-GP5 perteneciente a un calentador.. Figura 7. Microestructura del tubo del quemador del material ASTM A 335-GP5, consistente en una matriz ferrítica y colonias de perlita en una etapa intermedia de globulización que es evidencia de sobrecalentamiento.. La figura 8 presenta una conexión de Acero inoxidable ASTM 182- F 321 con una fractura de tipo intergranular, la cual que ocurrió en un solo evento, debido a la fragilización del límite de grano de la microestructura, figura 9. Se atribuyó, que la causa de degradación microestructural, se encuentra asociada a un número elevado de reparaciones de la soldadura, la cual permitió la absorción de hidrogeno de la atmósfera de servicio y a los ciclos térmicos introducidos por reparaciones por soldadura en la misma zona. Debido a lo anterior el material no fue capaz de resistir los esfuerzos producidos por las cargas de servicio, los cuales fueron incrementados por la concentración de esfuerzos que produce el fuerte cambio de espesor en la conexión del serpentín al Wendolet.. Figura 8. Aspecto original de la conexión Weldolet del material ASTM 182-F 321.. 8.

(26) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. Figura 9. Superficie de fractura en la zona media de la grieta principal del material ASTM 182- F 321 de la conexión Weldolet. La fractura es completamente intergranular.. La figura 10 presenta un tubo de un calentador a fuego directo de acero ASTM A 335-P9 en el cuál se encontraron diferencias en los valores de dureza, lo anterior mostró indicios de degradación de las propiedades mecánicas. La microestructura del tubo del calentador que se muestra en la figura 11 revela una microestructura parcialmente recristalizada, ya que la morfología de los granos no es completamente equiaxial, para este tipo de aceros a temperaturas alrededor de 398 a 510º C puede originarse una importante fragilidad por exposición prolongada a alta temperatura.. Figura 10. Aspecto original de la sección de tubo del calentador a fuego directo del material ASTM A 335-P9.. Figura 11. Microestructura del material ASTM A 335-P9 con indicios de recristalización.. 9.

(27) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. 2.1.6. Estudios de degradación de propiedades mecánicas a alta temperatura. No se han realizado estudios de la degradación de las propiedades mecánicas de aceros expuestos a ciclos térmicos, sin embargo, se encontraron estudios relacionados con la degradación de las propiedades mecánicas y de la microestructura de aceros expuestos a altas temperaturas. O. K. Chopra y H. M. Chung [9] realizaron un estudio degradación por envejecimiento de aceros inoxidables y sus efectos en las propiedades mecánicas, los resultados experimentales indicaron que en un rango de temperatura entre 290 y 450 °C se incrementa la resistencia a la tensión y disminuye la energía de impacto Charpy, también se indica que la fragilización del acero está relacionado con el contenido de ferrita y la concentración de carbón la cual disminuye con respecto al tiempo de exposición. O. K. Chopra [10] realizó un estudio del envejecimiento térmico de aceros inoxidables en sistemas LWR (reactores de agua ligera) y estimación de las propiedades mecánicas. Determinó que en un rango de temperaturas entre 320 y 400 °C la energía de impacto Charpy disminuye, la deformación y el esfuerzo aumentan en función del tiempo y la temperatura. Marcelo Martins y Luiz Carlos Casteletti [11] estudiaron la influencia al aplicar varias temperaturas al acero inoxidable ASTM A 890, encontrando que el incremento en la dureza se relaciona con el aumento en la concentración de la fase sigma en su microestructura, en la que hay tendencia a precipitarse dentro de la fase ferrita – austenita. SHI Feng, WANG Li-jun, CUI Wen-fang, QI Yang, LIU Chun-ming [12] estudiaron el envejecimiento, la precipitación y la recristalización en aceros inoxidables austeniticos con alto contenido en nitrógeno, los resultados a los que llegaron es que cuando el material es envejecido a 750°C inicia la recristalización, hay nucleación de segundas fases en dislocaciones, límites de grano y límites de subgranos mismos que permiten la formación de núcleos para la recristalización. Omyma Hassan Ibrahim, Ibrahim Soliman Ibrahim y Tarek Ahmed Fouad Khalifa [13] estudiaron el efecto del envejecimiento en aceros inoxidables austeniticos y su soldadura (de Tungsteno), concluyendo que el envejecimiento provoca en estos aceros disminución en la energía de impacto, misma que se relaciona con la precipitación de la fase intermetálica sigma en la microestructura, también es responsable de la reducción de los parámetros de deformación considerados: esfuerzo, dureza, fractura así como la iniciación y propagación de grietas.. 2.2. Microestructura y propiedades de aceros ferríticos. Los aceros bajos en carbono contienen menos del 0.25 % en peso de C. La microestructura consiste en ferrita y perlita (constituida por la mezcla de dos fases, ferrita y cementita Fe3C en forma de laminillas), son relativamente blandos y poco resistentes pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad, de fácil mecanizado, soldables y baratos. Pueden aumentar su resistencia mecánica por tratamientos térmicos y mantienen las propiedades de fácil mecanizado. [14}, [7]. 10.

(28) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. 2.3. Propiedades y comportamiento mecánico. La Ley de Hall – Petch es una relación entre el tamaño del grano y un factor de liberación de dislocaciones. A menor tamaño de grano mayor densidad de dislocaciones y por lo tanto mayor endurecimiento por deformación. [15]. Donde o es el esfuerzo de cedencia y el diámetro del grano.. i. es el límite de elasticidad, k es el parámetro de ajuste (constante) y D es. Además de afectar el esfuerzo de cedencia el tamaño de grano influye en la cantidad de endurecimiento por deformación, resistencia tensil máxima, ductilidad, tenacidad a la fractura, temperatura de transición dúctil / frágil y soldabilidad. [15]. 2.3.1. Mecanismos de endurecimiento. Existen varios mecanismos de endurecimiento, entre los más comunes encontramos: [15] Endurecimiento por deformación que se presenta con la interacción de las dislocaciones que hace que cada vez haya más obstáculos para el deslizamiento, generalmente se presenta con la deformación en frío y se manifiesta en la curva esfuerzo – deformación en tensión uniaxial con la curvatura después del punto de cedencia. Endurecimiento por límites de grano, el tamaño de grano determina el número de límites de grano por unidad de área, con esto los límites de grano sirven como una barrera para el deslizamiento así también dan una diferente orientación para continuar con el deslizamiento en el grano vecino, por lo que la deformación se divide en tres regiones: el interior de los granos, la zona cercana al límite de grano y el límite de grano. Endurecimiento por solución sólida o por solutos el cual se da por la interacción de los átomos de soluto y las dislocaciones misma que puede ser de atracción o repulsión que se traducen en endurecimiento debido a que se requiere mayor esfuerzo para continuar moviendo las dislocaciones. Endurecimiento por segundas fases ya que constituyen obstáculos para el movimiento de dislocaciones, introducen un efecto de mezcla de propiedades del agregado con cada una de las fases presentes, forma, tamaño y cantidad de segundas fases, distribución en la matriz, dureza y ductilidad de la matriz y de la segunda fase, endurecimiento por deformación de la matriz y de la segunda fase, estructura y orientación de ambas fases, el tipo de unión y fuerza cohesiva entre las fases y el factor más importante es la contribución de cada case a la resistencia total en función del contenido volumétrico de cada fase. Endurecimiento por partículas finas, cuando la segunda fase está presente en forma de partículas muy pequeñas y en gran cantidad y distribuidas uniformemente en la matriz da como resultado la óptima combinación de resistencia y ductilidad. Existen dos formas de obtener una dispersión de partículas finas: por precipitación desde una solución. 11.

(29) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. sobresaturada o por metalurgia de polvos o aleado mecánico. El endurecimiento por partículas finas proviniendo del esfuerzo adicional necesario para hacer pasar las dislocaciones a través de una zona de partículas finas.. 2.4. Evolución microestructural por exposición a alta temperatura. Se encuentra ampliamente documentado que a elevada temperatura se alteran las propiedades mecánicas de los aceros como son la disminución del esfuerzo de cedencia y resistencia a la tensión donde se presentan procesos como la recuperación, recristalización y crecimiento de los granos formación de subgranos y la fusión incipiente, así como la disolución y precipitación de fases. [15] La esferoidización o globulización de la perlita es la degradación de la microestructura típica laminar de la perlita a una forma esferoidal. El tratamiento térmico de esferoidización consiste en calentar la aleación a temperatura por debajo de la eutectoide (A1), durante éste recocido el Fe3C coalesce para formar partículas de esferoidita. [16]. 12.

(30) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. CAPITULO III. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 3.1. Procedimiento experimental. El diagrama de bloques de la figura 12 muestra el procedimiento experimental realizado en el presente estudio, el cual consistió en la caracterización inicial de los materiales A179 y A192, mediante el análisis químico, medición de dureza, ensayo de tensión, preparación metalográfica y caracterización microestructural mediante microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido. Posteriormente, se realizaron las pruebas de caracterización mecánica y microestructural a los dos materiales, después de ser sometidos a dos distintos regímenes de exposición a alta temperatura. El primero de ellos consistió en la exposición intermitente de los materiales, o aplicación de ciclos térmicos, los cuales consistieron en el calentamiento de los especímenes de prueba dentro de un horno a 600° C durante una hora y su posterior enfriamiento al aire hasta temperatura ambiente. El segundo régimen consistió en la exposición continua, donde simplemente se mantuvieron los especímenes dentro del horno a 600° C por las horas requeridas los materiales de prueba. Los tiempos de exposición analizados fueron de 30, 60, 90, 120, 150 y 180 horas en ciclos y 30, 60, 90, 120, 150, 180 y 300 horas de exposición continua. Caracterización Inicial • Análisis Químico • Dureza • Tensión • Preparación metalografica • Microscopía óptica • Microscopía electrónica de Barrido. Exposición • CICLOS TERMICOS Calentamiento - Enfriamiento • EXPOSICION CONTINUA Caracterización de materiales expuestos • Dureza • Tensión • Preparación metalografica • Microscopía electrónica de Barrido. Analisis de resultados. Conclusiones. Figura 12. Diagrama de bloques de la metodología experimental.. 13.

(31) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. La figura 13 muestra esquemáticamente la gráfica de la variación de la temperatura durante la aplicación de un ciclo térmico el cual consistió en el calentamiento del material dentro de un horno a 600° C durante una hora y su posterior enfriamiento al aire hasta temperatura ambiente (25° C aproximadamente), dicha secuencia de calentamiento-enfriamiento fue repetida de manera tal que, el número ciclos equivale al número de horas que el material permaneció a 600° C. Los ciclos obtenidos fueron 30, 60, 90, 120, 150 y 180.. Temperatura (°C). 1 CICLO. 600°. 25°. 60. 20. 60. 20. 60. 20. 60. 20. Tiempo (minutos) Figura 13. Esquema de ciclos térmicos.. Temperatura (°C). En la exposición continua se mantuvieron a los especímenes de prueba dentro del horno a 600° C por las horas requeridas.. 600°. 25°. 30. 60. 90. `120. `150. `180. 300. Tiempo (horas) Figura 14. Esquema de exposición continua.. Para establecer las comparaciones entre las dos condiciones de exposición se generaron muestras tanto para exposición continua como intermitente, donde las horas de exposición a alta temperatura fueran las mismas. Los tiempos de exposición analizados fueron de 30, 60, 90, 120, 150 y 180 horas en ciclos y 30, 60, 90, 120, 150, 180 y 300 horas de exposición continua.. 14.

(32) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. 3.2. Materiales. Los aceros utilizados fueron ASTM A 179 y A 192, mismos que fueron proporcionados por la empresa Calderas y Equipos Térmicos S.A. de C. V. (CETSA). Inicialmente se contaron con tres tubos del material A 179 y dos del A 192 de los cuales se obtuvieron mediante corte piezas de aproximadamente 1 cm2 las cuales se montaron en dos direcciones para su caracterización metalográfica, otras piezas aproximadamente de 3 cm2 fueron rectificadas para análisis químico y medición de la dureza, así, como también se maquinaron probetas de tensión. En la figura 15 muestra las probetas obtenidas para cada estudio. (a). (b). (c). (d). Figura 15. Pasos seguidos para la preparación del material (a) Sección de tubo original, (b) corte y montaje para metalografía, c) corte y rectificado de piezas para análisis químico y dureza, y d) probetas de tensión.. 3.3. Pruebas de dureza y tensión. Los ensayos de dureza se realizaron de acuerdo a la norma ASTM E18 [17], utilizando un durómetro Rockwell Albert GNEHM 150-UR. Las condiciones de prueba fueron: identador esférico de acero endurecido de 1/16”, 3 kg de precarga y 100 Kg de carga tota. Se realizó la prueba en la dirección superficial. Se hicieron las pruebas de dureza Rockwell B a cada una de las condiciones de pruebas, tomando 5 mediciones por espécimen para disminuir las probabilidades de error. Se determinaron propiedades mecánicas mediante la prueba de tensión uniaxial a las probetas tratadas a las distintas condiciones experimentales de acuerdo a la norma ASTM E 8 [18]. Solo se realizó una prueba para condición inicial, 60, 90, 120, y 150 horas en ciclos y 120 horas en exposición continua debido a que se tenían poco material.. 15.

(33) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. 3.4. Metalografía. Para el análisis metalográfico, se eligieron dos direcciones, la superficial y la transversal, mismas que se muestran en la figura 16.. SUPERFICIAL TRANSVERSAL. Figura 16. Direcciones superficial y transversal de los tubos que se analizaron en la experimentación.. La caracterización microestructural, se realizó de acuerdo a la noma ASTM E3 [19], la cual consiste en la preparación de probetas metalográficas, preparando dos direcciones: superficial y transversal. Conforme al estándar, se cortaron los tubos y se montaron en baquelita y se desbastaron utilizando lijas de los números 80, 100, 120, 220, 320, 400, 600, 1000, 1200, 1500, 2000 y 4000 con agua como lubricante hasta conseguir una superficie plana y sin rayas. Posteriormente, se pulieron en un disco rotatorio, utilizando alúmina de 1.0, 0.3 y 0.05 µm hasta lograr tener una superficie acabado espejo. En seguida fueron observadas en el microscopio óptico para observar inclusiones y posteriormente se atacaron con Nital 3% (97% de alcohol y 3% de ácido nítrico) y se obtuvieron fotos a 100x, 500x y 1000x para realizar el análisis de las mismas, se determinó el tamaño de grano, inclusiones y porciento de fases de acuerdo a las normas ASTM E 112 [20] y ASTM E 45 [21]. Debido a que eran necesarias fotografías con mayor resolución y mayores aumentos se optó por utilizar la técnica de microscopia electrónica de barrido (MEB), a partir de las fotografías obtenidas, se realizó el análisis de imágenes, determinando promedio del área, ancho y largo de la perlita para cada uno de los tiempos de exposición.. 3.5. Equipos. Las mediciones de durezas se realizaron utilizando un durómetro Rockwell Albert GNEHM 150-UR. Las pruebas de tensión en una máquina de tensión y la caracterización microestructural mediante un microscopio óptico y un microscopio electrónico de barrido. La exposición a alta temperatura se hizo mediante una mufla y la temperatura fue monitoreada diariamente mediante un termómetro marca Fluke con un termopar tipo k.. 16.

(34) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. CAPITULO IV. RESULTADOS 4.1. Caracterización inicial del material. 4.1.1. Análisis químico. Se realizó el análisis químico de los materiales mediante espectrometría de fluorescencia, en la tabla 3, se muestran los resultados obtenidos para los aceros utilizados A179 y A 192 y los valores de composición química de referencia según la norma ASTM A 179 [22] Y A 192 [23]. Tabla 3. Composición química de los tubos ASTM A 179 y A 192. MATERIAL. C%. Mn%. P max, %. S max, %. Si max, %. A 179 [22]. 0.06–0.18. 0.27–0.63. 0.035. 0.035. A 179. 0.13. 0.53. 0.02. 0.01. A 192 [23]. 0.06–0.18. 0.27–0.63. 0.035. 0.035. 0.25. A 192. 0.12. 0.53. 0.01. 0.00. 0.25. 4.1.2. Propiedades mecánicas (dureza y tensión). Se realizaron mediciones de dureza Rockwell B para ambos materiales, cuyos resultados para cada material se presentan en la tabla 4 en conjunto con sus valores de referencia. Tabla 4. Dureza Rockwell B de los tubos ASTM A 179 y A 192. MATERIAL. DUREZA HRB. A 179 [22]. 72 max. A 179. 65. A 192 [23]. 77 max. A 192. 66. 17.

(35) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. También, fueron realizados ensayos de tensión uniaxial para ambos materiales, cuyos resultados se presentan en la tabla 5 en conjunto con los valores de referencia encontrados.. Tabla 5. Propiedades de los tubos ASTM A 179 y A 192 en tensión. MATERIAL A 179 [22] A 179 A 192 [23] A 192. ESFUERZO DE TENSIÓN MPA 325.00 min. ESFUERZO DE CEDENCIA MPA 180.00 min. 423.58. 274.70. 325.00 min. 180.00 min. 434.32. 195.50. 4.1.3. Caracterización mediante microscopía óptica. El análisis de las muestras presentaron inclusiones no metálicas del tipo D (Óxidos globulares) serie fina y una microestructura de una matriz ferrítica con colonias de perlita laminar. Mediante un analizador de imágenes marca Image Pro Plus versión 6.2 para Windows y siguiendo los lineamientos descritos en la norma ASTM E 45 [21] se determinaron los parámetros estereológicos del acero. Los resultados se presentan en la tabla 6 así como la evidencia fotográfica de las inclusiones y las microestructuras en las figuras 17 y 18 respectivamente.. Tabla 6. Parámetros estereológicos del acero A 179 y A 192. Muestra. % VOL INC. % VOL FERRITA. % VOL PERLITA. ASTM GRANO. A 179 SUPERFICIAL. 0.34. 81.81. 18.18. 9.5. A 192 SUPERFICIAL. 0.14. 84.86. 15.13. 9.5. A 179 TRANSVERSAL. 0.39. 82.71. 17.28. 9.5. A 192 TRANSVERSAL. 1.01. 82.91. 17.09. 10. 18.

(36) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. a). b). c). d). Figura 17. Micrografías de las inclusiones en el material A 179 a) en la dirección superficial y b) en la dirección transversal y del material A 192 c) en la dirección superficial y d) en la dirección transversal.. 19.

(37) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. a). b). c). d). Figura 18. Micrografías del material A 179 a) en la dirección superficial y b) en la dirección transversal y del material A 192 c) en la dirección superficial y d) en la dirección transversal.. 4.2. Caracterización del material expuesto a ciclos y exposición continua a 600° C.. 4.2.1. Propiedades mecánicas. 4.2.1.1. Dureza. Se hicieron pruebas de dureza Rockwell B a cada una de las condiciones de pruebas, se tomaron 5 mediciones y se promediaron a fin de disminuir las probabilidades de error. Los resultados para el acero A 179 y A192 se muestran en la figura 19, para el caso del acero A 179 no se muestra un cambio significativo mientras que para el acero A 192 se nota un ligero ablandamiento. Los datos puntuales de las mediciones se encuentran en el Anexo 1 en las tablas 9 y 10.. 20.

(38) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. Figura 19. Comportamiento de la dureza del material A 179 sometido a ciclos térmicos y a exposición continua a 600° C.. 4.2.1.2. Ensayo de tensión. 4.2.1.2.1 Material A 179. Se realizaron ensayos de tensión a las probetas tratadas a las distintas condiciones experimentales. Los resultados obtenidos para el material A 179 se muestran en la tabla 7, es necesario mencionar que hubo problemas con las pruebas de tensión ya por la geometría de las probetas (en forma de tubo) fue necesario utilizar un inserto para que la mordaza pudiera sujetar a la probeta sin deformarla, sin embargo aún con este aditamento las probetas llegaron a patinarse, por esta razón algunos resultados fueron descartados en el análisis.. Tabla 7. Propiedades mecánicas en tensión del material ASTM A 179. CONDICIÓN. % ALARGAMIENTO. VERDE. 36.79%. ESFUERZO DE CEDENCIA MPa 274.70. 60 CICLOS. 28.61%. 271.95. 401.72. 90 CICLOS. 24.45%. 254.29. 380.66. 120 CICLOS. 25.27%. 277.85. 369.20. 150 CICLOS. 32.05%. 275.51. 373.90. 120 HORAS. 29.03%. 167.81. 270.51. 21. ESFUERZO ULTIMO DE TENSIÓN MPa 423.58.

(39) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. La figura 20 muestra el comportamiento de las propiedades mecánicas a las distintas condiciones de prueba del material A 179, en las cuales podemos observar que el alargamiento es ligeramente mayor en la exposición prolongada que en los ciclos térmicos y el esfuerzo de cedencia y el esfuerzo último de tensión es ligeramente mayor en los ciclos térmicos que en la exposición prolongada. También, es importante destacar que el esfuerzo de cedencia durante los tiempos de prueba se mantiene constante, mientras que el esfuerzo último de tensión tiende a disminuir.. Figura 20. Gráficas que muestran el comportamiento del material A 179 en tensión uniaxial.. 22.

(40) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. 4.2.1.2.2 Material A 192. Los resultados de las mediciones de las propiedades mecánicas para el material A 192 en las distintas condiciones de prueba se muestran en la tabla 8.. Tabla 8. Propiedades mecánicas en tensión del material ASTM A 192. CONDICIÓN. % ALARGAMIENTO. VERDE. 25.73%. ESFUERZO DE CEDENCIA MPa 195.50. ESFUERZO ULTIMO DE TENSIÓN MPa 434.32. 60 CICLOS. 27.23%. 237.90. 370.02. 90 CICLOS. 27.15%. 254.07. 385.86. 120 CICLOS. 27.10%. 262.60. 390.81. 150 CICLOS. 27.69%. 164.80. 304.79. 120 HORAS. 24.62%. 257.99. 434.32. La figura 21 muestra el comportamiento de las propiedades mecánicas a las distintas condiciones de prueba del material A 192, en las cuales podemos observar que el esfuerzo último de tensión es mayor en la exposición prolongada que en los ciclos térmicos así como él % de alargamiento y el esfuerzo de cedencia es mayor en los ciclos térmicos que en la exposición prolongada También, es importante mencionar que el esfuerzo de cedencia y el esfuerzo último de tensión durante los tiempos de prueba tienden a disminuir. Mientras que el alargamiento ligeramente aumenta con respecto a la condición inicial.. 23.

(41) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. Figura 21. Gráficas que muestran el comportamiento del material A 192 en tensión uniaxial.. 4.3. Caracterización fractográfica. 4.3.1. Material A 179. La figura 22 presenta la evidencia fotográfica macroscópica del material A 179 de las probetas de tensión obtenidas durante los ensayos, así como las superficies de fractura observadas en el microscopio electrónico de barrido. Se pueden observar diferencias entre la cantidad y profundidad de los microhuecos durante las distintas condiciones de prueba.. 24.

(42) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. SIN EXPOSICIÓN. 10 µm. 120 HORAS EN CICLOS. 12O HORAS EN EXPOSICIÓN CONTINUA. Figura 22. Probetas de tensión y superficies de fractura para el material A 179.. 25.

(43) “DEGRADACIÓN MICROESTRUCTURAL Y MECÁNICA DE UN ACERO PARA TUBERÍA DE CALDERAS E INTERCAMBIADORES DE CALOR CON EXPOSICIÓN A CICLOS TÉRMICOS”. 4.3.2. Material A192. La figura 23 presenta las fotografías macroscópicas del material A 192 obtenidas de las probetas de tensión y las superficies de fractura observadas en el microscopio electrónico de barrido. Se observan pequeñas diferencias entre la cantidad y profundidad de los microhuecos a las distintas condiciones de prueba.. SIN EXPOSICIÓN. 10 µm. 120 HORAS EN CICLOS. 120 HORAS EN EXPOSICIÓN CONTINUA. Figura 23. Probetas de tensión y superficies de fractura para el material A 192.. 26.