Construcciones y Relevados del Centro S.A. de C.V.

(Servicios de Relevado de Esfuerzo y Pruebas de Dureza)

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Fundamentos

Introducción

El efecto que produce el proceso de soldadura sobre el metal base y el aporte (soldadura), es un calor excesivo "puntual", debido a que la temperatura a la cual se encuentra el material aporte, es tal que debe permitir la fusión entre las bases y el aporte.

Esfuerzos Internos por Soldadura

Como el área de calentamiento es una pequeña sección (puntal), la dilatación del metal juega un papel fundamental, de tal forma que las áreas aledañas frías en el material base, impiden una dilatación adecuada, produciendo con ello zonas con granos mas pequeños (Zona Afectada por el Calor "ZAC" con esfuerzos internos), con un tamaño de grano más grande y como consecuencia, una dureza mas elevada de lo permitido.

Otra situación que se debe considerar es la velocidad de enfriamiento del área en proceso de soldadura, para cualquier metal que es calentado al rojo vivo y enfriado al aire, se produce un incremento en la dureza del metal, que es un efecto indeseable en términos de los limites de dureza establecidos, aunque no se debe dejar a lado la posibilidad de encontrar fisuras por todo lo mencionado anteriormente.

Un metal endurecido reduce drásticamente sus límites de resistencia (proporcional, elástico, a la fluencia, última o máxima y de fractura), así como su ductilidad, maleabilidad y tenacidad, haciendo el metal frágil.

Fractura en Tubería

En tuberías o recipientes en donde se manejan presiones considerables el efecto de endurecimiento en las soldaduras puede ser catastrófico, así como en tuberías o recipientes que manejan productos peligrosos o corrosivos.

La presencia de hidrogeno tanto en el ambiente aledaño a la zona de la soldadura como el contenido en el revestimiento de la soldadura puede producir efectos indeseables como la formación de mocrofisuras, porosidad o la Fisuración Inducida por Hidrogeno "HIC", esto se debe a que el hidrogeno puede difundir a través de la estructura cristalina del acero debido a su pequeño diámetro atómico, recombinándose a hidrogeno molecular en espacios vacíos. Para reducir al máximo dichos efectos indeseables se aplica el precalentado durante la soldadura ya que a ciertas temperaturas (generalmente a más de 200ºC) todo el hidrogeno se encuentra en estado atómico sin posibilidad de formar moléculas y después de la soldadura se aplica el relevado de esfuerzo para lograr difundir el hidrogeno fuera de la estructura cristalina del metal en cuestión, efecto también obtenido en el deshidrogenado de piezas o zonas que han estado expuestas contaminación de hidrogeno, aunque esta utilidad del relevado de esfuerzos es solo una de varias y puede ser de menor importancia cuando el precalentamiento se a aplicado de manera correcta.

Desde un punto de vista atómico estructural el objetivo del precalentamiento y del Tratamiento Térmico Post - Soldadura (TTPS) es el de inyectar energía (en este caso calorífica) para lograr con ello vibraciones atómicas y cristalinas que permitan la adecuada fusión (en el caso del precalentado) o los desplazamientos atómicos con los que los granos chicos son adheridos a los granos grandes, (en el caso del TTPS) obteniendo con ello líneas cristalinas más largas y resistentes, disminuyendo con ello el tamaño de grano (el tamaño de grano es inversamente proporcional al número de granos presentes en una muestra).

En general, las temperaturas que se alcanzan para el tratamiento térmico (revenido) son subcriticas, ya que se encuentran por debajo de la temperatura critica o de transformación cristalina evitando con ello la recristalización Alotrópica o Austenización.

Precalentado

El objetivo del precalentamiento "PC" consiste esencialmente en reducir los efectos de enfriamiento rápido en el área de aplicación de soldadura, los beneficios son múltiples y son los siguientes:

  • La soldadura se fusiona correctamente con el metal base, debido a que se evita la perdida excesiva de calor.
  • A comparación de la aplicación de flama para precalentar el área a soldar, con el precalentado con resistencia eléctrica se obtiene una aplicación uniforme circunferencial de temperatura, sin variaciones de la misma, debido a que el calentamiento es controlado por programadores lógicos, que reciben señal de monitores (termopares) colocados a 1 pulgada de distancia de la costilla de la soldadura por ambos lados de la misma.
  • El precalentamiento es un método preventivo, reduciendo esfuerzos o tensiones internas y las posibles fisuras.
  • Se reduce la dureza obtenida después de la aplicación de la soldadura, haciendo más factible un resultado adecuado después del TTPS.
  • Reduce la posibilidad de encontrar poros causados por el hidrogeno insertado durante el proceso de soldado.
  • Reduce tiempos muertos al tener disponible, en todo momento, el área a soldar, sin tener que esperar a la aplicación de la flama para obtener la temperatura requerida.
  • Reduce los riesgos que se producen al usar flama.
Precalentamiento

Tratamiento Térmico Post - Soldadura

Existen varios tipos de Tratamiento térmico, entre ellos los mas usados y los que trataremos aquí son: EL RELEVADO DE ESFUERZOS y el hipertemple, aunque EL RELEVADO DE ESFUERZOS sea por mucho el más solicitado en la industria metal mecánica.

El RELEVADO DE ESFUERZOS, como su nombre lo dice, es un proceso mediante el cual se relevan esfuerzos y tensiones internas en el material ocasionados durante el proceso de soldadura.

Para este caso en particular, se usan resistencias eléctricas - cerámicas flexibles, de diversas mediadas que se adaptan a la forma del área a relevar de esfuerzos, el suministro de energía a las resistencias lo aporta un transformador (generalmente de 75 KW), este suministro de energía es controlado por programadores de ciclo térmico, que a su vez, reciben señal de temperatura de termocuplas o termopares tipo "K" (Chromel NiCr - Alumel Ni) soldados con descargas capacitivas sobre la soldadura o a lado de la soldadura, estos termopares tienen la propiedad de interpretar la temperatura de la muestra como una señal de microvoltaje (µV/K), gracias al efecto Seebeck , el cual es usado por el programador para decidir en que momento el trasformador debe suministrar energía a las resistencias para calentar el área a relevar. Las resistencias y una parte mas a los lados de las resistencias son cubiertos con fibra cerámica para alta temperatura, como aislante térmico. El registro de eventos es realizado por un graficador de temperatura vs tiempo.

PREPARACION DE UNA JUNTA DE SODADURA PARA SU TTPS
Preparacion de Junta a Relevar

Descripcion de pasos:

  1. Soldado de termocuple en la parte superior (para tuberias mayores de 14" se requieren dos termos, 1 cada 180º).
  2. Soldado de termocuple en la parte intefior.
  3. Colocación de resistencias electricas ceramicas, el numero de estas depende del espesor y el material.
  4. Junta preparada en su totalidad con fibra y conectadas las resistencias a los cables "pasa corriente".
  5. Junta Relevada y con pruebas de dureza.
  6. Maquina de relevado de esfuerzos, con programadores y graficador integrados.

Las características de la grafica a usar son extraídas principalmente de los lineamientos del código ASTM, para el relevado de esfuerzos, la grafica se compone de cinco zonas, estas son:

Grafica de Relevado de Esfuerzos
  1. Aumento de temperatura sin control, se inicia desde tmperatura ambiente y regularmente se eleva la temperatura lo mas rápido posible evitando que el transformador y las resistencias sufran demasiado ya que pueden dañarse.
  2. Aumento controlado a partir de la temperatura señalada por el ASTM como inicio de control y a una velocidad (ºF/hr) también señalada por el ASTM, depende directamente del espesor del material.
  3. Sostenimiento, en este punto se llega a una temperatura que resulta estar en un rango, y que debe mantenerse durante un cierto lapso de tiempo, dependiendo del material y de el espesor, características proporcionadas por ASTM.
  4. Caída controlada, desde la temperatura de sostenimiento la temperatura decrece a una velocidad controlada hasta cierta temperatura, depende del espesor del material y sus valores los estipula el ASTM
  5. Una ves terminada la caída controlada, se apaga todo y la junta se deja preparada (con la fibra puesta), hasta que se enfría por completo.

Estas zonas son registradas en un graficador de temperatura vs. tiempo y la grafica obtenida es el testigo de que el relevado se efectúo acorde a los lineamiento requeridos.

Los beneficios del relevado de esfuerzos son diversos y se enumeran a continuación:

  • A nivel atómico estructural del material, dismunuye el tamaño de grano y aumenta las líneas cristalinas debido a que los granos pequeños son absorbidos por los granos más grandes, con esto el diámetro promedio del grano aumenta.
  • Reduce esfuerzos y tensiones internas ocasionadas durante el proceso de soldadura.
  • Disminuye la dureza en la Zona de Afectación de Calor (ZAC), incluye la zona de soldadura y las zonas aledañas en el metal base afectado.
  • Aumenta la ductilidad, maleabilidad y tenacidad así como su punto elástico y de fluencia.
  • Aumenta la resistencia a la corrosión y por consecuencia aumenta la resistencia a la fisuración por corrosión bajo tensión "SCC".
  • Aumenta la resistencia a la fisuración inducida por hidrogeno "HIC".
  • Aumenta la resistencia a la fatiga.
Hipertemple del Inoxidable

EL HIPERTEMPLE, es un procedimiento mediante el cual se eleva la temperatura gradualmente hasta llegar a una temperatura de aproximadamente 1600ºC, se mantiene cierto periodo de tiempo y se enfría bruscamente (regularmente al aire).

Para este trabajo se requiere de equipo de protección personal como el traje aluminizado completo para proteger al personal de las radiaciones desprendidas al momento de descubrir la junta, además se requiere una superficie previamente preparada para recibir las resistencias al rojo vivo.

Este proceso es aplicado para ACEROS INOXIDABLES y tiene como beneficio principal, la eliminación de los carburos y de la posible corrosión intergranular, que resulta del proceso de soldadura, provocando con ello mayor resistencia a la corrosión.

Pruebas de Dureza

Dispositivo de Impacto

Las pruebas de dureza se realizan generalmente después del TTPS y sirven para verificar que la dureza en la soldadura y metal base aledaño están dentro del rango establecido por el ASTM.

Para esta prueba se utiliza la técnica dinámica de rebote LEEB, en la cual, un objeto es impactado por una punta de prueba de metal muy duro, que es impulsado por un resorte con características especificas, esto ocasiona una deformación en el área impactada que es traducida en una perdida de energía cinética.

Debido a que la velocidad de rebote esta relacionada con la dureza del objeto (rebotando más rápidamente entre más duro es) se utiliza este principio para la medición de la dureza.

La perdida de energía cinética es medida tomando lectura de las velocidades antes y después del impacto a cierta distancia del objeto (por ejemplo 1mm), esta perdida en velocidad es interpretada debidamente por el durómetro (aparato medidor de dureza) y entregada al operador como un valor de dureza.

El procedimiento de ejecución consiste en:

  • Pulir y limar el área de interés (base - soldadura - base ) a manera de garantizar un buen asentamiento de la base del dispositivo de impacto (contenedor de la punta de prueba y el resorte).
  • Proceder a realizar por lo menos tres impactos cuyos valores no tengan una diferencia mayor de 15 LD (Lectura Directa) entre ellos, esto se realiza tanto para la soldadura como para las bases aledañas a los lados de la soldadura.
  • Se crea un reporte basado en las lecturas obtenidas.
Preparacion de superficie Prueba de dureza

ttpscoresa@hotmail.com