IM01 - UNEXPO Vicerrectorado Puerto Ordaz

UNEXPO. Rocco, Gil. Evaluación del comportamiento de recubrimientos aplicados en internos de válvulas para la
industria petrolera.
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Evaluación del Comportamiento de
Recubrimientos Aplicados en Internos de
Válvulas para la Industria Petrolera.
Rocco María, Gil Linda,
[email protected], [email protected],
CECOB – UNEXPO.
Resumen—En el proceso de extracción, separación y recolección
de crudo, se genera desgaste en los componentes que están en
contacto directo con el fluido debido a la presencia de partículas
sólidas que son arrastradas desde el yacimiento. En ciertos
dispositivos como las válvulas, el deterioro ocasionado por los
sedimentos ocasiona la fuera del servicio del equipo en un tiempo
menor a veinte siete (27) días operativos. Los principales elementos
de las válvulas en desgastarse son los asientos y obturadores (tapones
y bola). Los asientos actualmente se fabrican en acero 4140 para
alargar los tiempos de uso hasta veintisiete (27) días. El presente
trabajo tiene como finalidad, incrementar los tiempos de vida útil
mediante el uso de recubrimientos por Termorrociado. Se plantean
dos propuestas de recubrimientos: aleación WC-Co-Cr por HVOF y
la aleación FeCr por arco eléctrico. En las dos propuestas se
determino el comportamiento de los recubrimientos frente a la
corrosión y Abrasión, siendo las dos últimas pruebas las más
determinantes en toda la evaluación, debido que se comprobó durante
el estudio el alto arrastre de partículas sólidas que ocasiona el
desgaste continuo de los componentes.
Palabras
Claves—Desgaste
abrasivo,
recubrimientos
termorrociados por HVOF, Recubrimientos termorrociados por arco
eléctrico, asientos, resistencia a la corrosión.
I.
INTRODUCCION
Durante el proceso de extracción, separación y recolección
de crudo, existen diversos factores que ocasionan el desgaste y
falla prematura de componentes instalados en los trenes de
separación de las estaciones de Flujo expuestos al medio,
como lo son: válvulas y carretos. El desgaste generalmente
está asociado a las presiones de trabajo, temperatura y % de
sólidos (arena).
La arena presente en el crudo, afecta de manera
significativa las condiciones de operación de los equipos, de
forma tal que disminuye su vida útil, y a su vez incrementa los
costos de mantenimiento debido a la frecuencia elevada de
reemplazos, las excesivas filtraciones y fugas que se generan,
sin contar el impacto ambiental y el riesgo que esto puede
traer consigo.
Desde el año 1993 hasta la actualidad se ha incrementado la
producción de arena en los yacimientos del Estado Monagas,
además que los procesos de separación en las estaciones de
Flujo no son 100% eficientes generando que los dispositivos
que estén en contacto directo con el fluido se degasten con
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mayor velocidad, trascendiendo principalmente en los
componentes internos de las válvulas como son: asientos,
tapón y retenedor, siendo los más críticos los dos primeros.
El uso de recubrimientos metálicos en componentes que
presentan desgaste y corrosión se ha incrementando en los
últimos años aplicándose principalmente en los campos más
agresivos como en el petrolero y el petroquímico.
Como solución más viable tecnológica y económicamente
se planteó el uso de recubrimientos para mejorar las
propiedades superficiales del sustrato, haciéndose necesario
determinar cuál de los recubrimientos a evaluar cumple con la
mejora del desempeño del sustrato, acero 4140, de modo de
disminuir la frecuencia de mantenimiento [1].
Los recubrimientos escogidos para el estudio fueron: la
aleación WCCoCr por la técnica de termorrociado a alta
velocidad (HVOF) y la aleación FeCr por arco eléctrico. El
sustrato sobre el cual fueron recubiertas las diferentes
aleaciones fue acero 4140, del cual son los asientos de
válvula.
II. DESARROLLO
A. Métodos y Materiales
a.1. Procedimiento De Recolección De Datos.
a.1.1 Mecanismo de Falla de Asientos de Válvulas
Mediante un Examen Preliminar de un Componente Fuera
de Servicio y Establecer las Condiciones de Operación de las
Válvulas Instaladas en las Estaciones de Flujo.
Para determinar los antecedentes de falla y determinar las
condiciones de operación se utilizan entrevistas en campo,
revisión de antecedentes y la medición y observación de falla
en una válvula que quedo fuera de servicio debido a presentar
filtraciones.
a.2 Caracterización De Los Recubrimientos.
Para la caracterización de los recubrimientos lo primero que
se realiza es la preparación de las muestras, posteriormente se
determina la porosidad, espesor de capa, rugosidad y
microdureza.
a.2.1. Preparación Metalográfica.
Para llevar a cabo la caracterización se procede inicialmente
a la preparación mecanográfica de muestras representativas de
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industria petrolera.
los recubrimientos obtenidos en cada condición de rociado.
Dicha preparación consta de cuatro pasos básicos: corte o
seccionado, montaje, desbaste y pulido.
En la caracterización se utilizarán una (1) muestra por
sistema, y la misma se seccionará en tres (3) partes. Las
dimensiones de la muestra (locha) ½” de diámetro y 1 cm de
longitud. Se tomaron en cuenta los equipos que constituyen
cada tren de producción seleccionando así la población a
estudiar, es decir, los equipos a inspeccionar.
El seccionamiento de la probeta o locha se realizó mediante
una Microcortadora Leco VC-50 empleando un disco
adiamantado. La muestra se coloca de forma tal que el disco
de diamante inicie el corte por la superficie del recubrimiento.
Se realizan dos cortes, en el primero se secciona la pieza en 2
partes iguales y el segundo perpendicular al anterior en el
centro del semicírculo formado, Figura 1.
286
a.2.4 Medición de Microdureza
Se utilizó un indentador Vickers con una carga de 300 g,
un tiempo norma ASTM E- 45[2] de carga de 12 segundos, en
un sistema LECO AMH-3000. Se consideró como el valor
reportado de la microdureza, el promedio de 5 mediciones
sobre las secciones transversales de cada condición del diseño
experimental.
b.1 Ensayo de Abrasión
La resistencia al desgaste de los recubrimientos fue
estudiada por el método “Rubber wheel abrasion test”. El
equipo empleado para el ensayo de Rubber wheel abrasion es
una versión modificada del equipo descrito en la norma
ASTM G65-00[3].
El ensayo de abrasión por rueda de goma consiste en medir
el desgaste abrasivo mediante el uso de una arena de
determinada granulometría que se deja caer entre el espécimen
de prueba (empujado mediante un brazo con determinada
carga) y una rueda de goma que se mueve en la misma
dirección que la arena. Se mide la pérdida de volumen del
espécimen en función del tiempo o de las revoluciones que dio
la rueda. (Ver figura 2).
Figura 1.
Debido a que el montaje en caliente puede alterar las
características del recubrimiento, el montaje se realizó en frío
con endurecedor y resina Epo-Thin en una proporción de 5,8
gramos de resina y 3,2 gramos de endurecedor.
Luego de montadas se procedió a realizar el desbaste
mecánico y pulido de la muestra para posteriormente atacarla
químicamente.
a.2.2 Medición de la Porosidad
La medición de la porosidad de los recubrimientos se
realizó mediante la observación metalográfica de las muestras
con un microscopio óptico marca Nikon modelo Eclipse TS100, acoplado a un sistema de análisis de imágenes Leco IA
32. Las secciones transversales de una muestra de cada
condición
del
diseño
experimental
preparadas
metalográficamente (sin ataque) en el paso
anterior,
permitieron el análisis de veinte campos por sección en
promedio a un aumento de 200X. El valor reportado en cada
caso representa el promedio de 15 mediciones.
a.2.3 Morfología y Microestructura
Se estudió la morfología y microestructura de secciones
transversales de los
recubrimientos, por microscopia
electrónica de Barrido (MEB). Para ello se utilizó un
microscopio con un detector de electrones retrodispersados
(BSE), lo cual permitió distinguir las diferentes fases presentes
por diferencia de concentración de elementos con distintos
números atómicos. Se utilizó un detector EDX para realizar
microanálisis a las fases presentes.
Figura 2. Máquina de Abrasión por rueda de goma en las
instalaciones de la UNEXPO –Puerto Ordaz.
Para realizar el ensayo se fabricaron probetas de sección
cuadrada bajo norma ASTM G-65, utilizando para cada
sistema cinco (5) probetas. Las barras son de sección cuadrada
de 20 mm. X 50 mm de longitud. (Ver figura 3)
Figura 3. (a) Plano de probeta para el ensayo de abrasión.
(b) Esquema Principios básicos de la máquina de desgaste.
(ASTM G-65)
Para determinar la presión de la rueda de goma con la
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probeta se realizaron los cálculos en función a la barra,
probeta y realizando un simple diagrama de fuerza. Mediante
esta ecuación y en el simulador de Excel obtenemos que el
peso necesario en el ensayo para simular los 1200 PSI es de
12,9 Kg.
C.2. Ensayos Electroquímicos.
Los ensayos de Polarización Potenciodinámica se realizaron
acorde a la norma ASTM G-5[4]. Se fabricaron para realizar
la evaluación a 20 muestras por cada sistema a depositar, las
dimensiones y características de las mismas son: cilíndricas de
½” de diámetro y 1 cm de longitud.
Los ensayos electroquímicos son pruebas aceleradas para
determinar la velocidad de corrosión en un material o en un
sistema, el ensayo consiste en una celda en la cual se usó el
metal de interés como electrodo y como electrolito NaCl 3%.
Se utilizó para los ensayos un potenciostato marca Gamry
modelo PC750 con el software de corrosión modelo ECHEM.
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El cuerpo de la válvula tiene una cavidad interna esférica
que alberga un obturador en forma de bola o esfera. La bola
tiene un corte adecuado (usualmente en V) que fija la curva
característica de la válvula. El cierre de la válvula se logra
con un aro contra el cual asienta la bola cuando la válvula esta
cerrada (asientos). La Figura 6 muestra el alto deterioro que
sufrieron sus internos (asiento y bola), ocurriendo
desprendimiento del material. En la inspección visual se
localiza la zona donde presentó la filtración (Fig 5b),
coincidiendo esta en la unión del asiento con obturador (bola).
Es de destacar que el fluido impacta en un ángulo de 90º la
superficie de la bola o obturador, generando condiciones para
una situación de desgaste erosivo, mientras que en el asiento
el fluido fluye paralelamente a la superficie, con un ángulo de
0º, correspondiente a un desgaste abrasivo.
B. Resultados
b.1 Fase 1. Recolección de Datos.
b.1.1 Examen Preliminar a Falla en Válvulas Instaladas
en Tren de 500 Psi
Se seleccionó para caracterizar la falla una válvula de bola
instalada en la estación una estación de flujo.
La válvula quedó fuera de servicio en el momento en que se
evidenció una pérdida de crudo en el tren de 500 psi, al
parecer filtró el fluido hacia el exterior, presentando un
deterioro interno que posteriormente trajo consigo el paso del
crudo fuera de la línea. Visualmente se observa en la parte
interna de la válvula desprendimiento superficial y deterioro
del material tanto en el obturador (la bola) como en los
asientos. (Figura 4).
(a)
(b)
Figura 5. Válvula de bola fuera de Servicio, se observa los
detalles tanto a) y b) en la bola como c) en el cuerpo de la
válvula donde ocurre el sellado del flujo. d) detalle del
deterioro en el cuerpo.
En la inspección visual se detecto que como consecuencia
del deterioro y/o desgaste de la bola y asiento, el fluido filtro
al lado opuesto (fig 5. c y d) generando deterioro también
una especie de formación de surcos en la parte posterior del
sistema bola asiento. Este tipo de morfología se observa
principalmente cuando partículas abrasivas como arena y
polvo circundante permanecen atrapadas en la superficie
deslizante.
b.1. 2 Parámetros operacionales de las líneas de flujo,
donde se encuentran instaladas las piezas a estudio.
(c)
(d)
Figura 4. (a) Válvula de bola fuera de Servicio por presentar
deterioro. (b) Señala la ubicación de la fuga que presenta el
componente. (c) Parte interna de la Válvula. (d) Elemento de
cierre de la válvula (bola), donde se observa el deterioro.
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b.1.2.1 Dirección Del Fluido.
Un factor a tomar en cuenta para evaluar el deterioro de los
componentes de las válvulas es la dirección del fluido a través
de ella, ya que partiendo de eso se podría realizar un cambio
para modificar la incidencia de impacto. Durante las
entrevistas realizadas en campo, se informó que para válvulas
de tapón ya había sido tomando en cuenta ese aspecto, puesto
que inicialmente incidía el fluido directamente contra la rótula
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del tapón lo que desgastaba rápidamente el interno, además de
esto, el fluido ejercía un choque directo con el cuerpo de la
válvula que ocasionaba filtración y el reemplazo de la misma
por completo ( Fig. 6).
Figura 6. Dirección del flujo a través de las válvulas y la
incidencia en el Trim antes y después del cambio.
Para solventar la situación se procede a cambiar el sentido
del tapón de la válvula de forma tal que no incida con la rotula
ni con las paredes (figura 6.b). Posterior al cambio comenzó a
sufrir desgaste la rosca del retenedor, por lo cual también se
tuvo que modificar a un retenedor extensivo (largo y grueso,
con el doble de espesor) para que el choque ocurriera en
el carreto que se encuentra a continuación de la válvula,
estableciéndose que se instalen carretos forjados con un
inserto de carburo de tungsteno en su interior después de las
válvulas de control.
La dirección del líquido en la válvula de control debe ser
por arriba del tapón o sea en el sentido en que la válvula
cierra. Esto es porque los líquidos que suelen llevar sólidos
serían atrapados en la pila de discos o en la jaula de la válvula
y solamente pasarían las partículas sólidas que dejaran pasar
los internos y no incidirían directamente sobre los asientos
de la válvula. Para válvulas de bola no se han hecho
modificaciones de diseño.
B.1.2.2 Ubicación de las válvulas en el tren.
En la Fig. 7, se presenta la ubicación de las válvulas de
tapón y de Bola. El crudo sale por la parte inferior del
separador atravesando posteriormente una serie de válvulas y
carretos. En la línea de cada sector (A y B como se ve en la
figura 7) se tienen tres (3) válvulas, dos (2) de bloqueo las
cuales son de bola y una (1) en medio de dos carretos que es
la válvula de control (tapón), en la cual ocurre el cambio de
presión; a su vez se encuentra una línea auxiliar con una
válvula de bola igualmente de bloqueo Bypass con mando
manual que puede ser controlada con volante o palanca. Fig. 9.
288
b.1.2.3 Presión
En los trenes de separación se encuentran instalados
válvulas (de tapón y de bola) de dos casas fabricantes. Los
diámetros de las mismas son importantes dependiendo de las
presiones, así en ninguno de los trenes de 1200 psi y 500 psi
se encuentran instaladas válvulas de diámetro menor a 4”, esto
con el fin de disminuir las velocidades del fluido, tomando en
consideración recomendaciones del fabricante. En otra
estación de flujo se encuentran instaladas dos válvulas de 3”
en los trenes 1 y 2 de 1200 psi, estos diámetros a estas
presiones incrementan las velocidades del fluido y por tanto
tiende a ocurrir mayor desgaste en los componentes del tren.
b.1.2.4 Granulometría de la arena presente en el tren.
Se evalúo el tamaño de partícula de arena a la salida de los
múltiples partiendo de una data suministrada por operaciones,
observando lo siguiente:
En los múltiples 1-A y 2-A los tamaños de partícula
son bastante cercanos, teniendo los porcentajes de retención
similares en ambos casos. ( Figura 8).
(a)
(b)
Figura 8. Gráfica de % de Retención para tres (3) Múltiples
de la Estación de Flujo. (a) Distribución vs. tamaño de
partícula (b) Distribución vs. tamiz.
Se consiguió que el mayor porcentaje de retención se
encontró en el tamiz 120 correspondiente a 125 µm. (ver
figura 8). Para los múltiples 1-A; 2-A; 3-A se consiguió que el
mayor porcentaje de retención en el tamiz 120 correspondiente
a 125mm. (Figura 8.b)
Figura 7. Ubicación de las válvulas de Control, Bloque y
By pass dentro de los trenes de Separación.
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b.2 Fase II. Ensayos De Laboratorio
b.2.1 Caracterización de los Recubrimientos.
Los espesores de los recubrimientos se pueden observar en
la tabla 1, el recubrimiento WCCoCr por termorrociado a alta
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velocidad (HVOF) con 501,1 ±142,92 µm, mientras que el
recubrimiento por arco eléctrico tiene 416,76 ±103,45 µm
Tabla N°1. Mediciones de espesor para los diferentes
recubrimientos.
b.2.1.2 Rugosidad
Dado que los recubrimientos de carburo de tungsteno
cobalto cromo (WCCoCr) por la técnica de termorrociado a
alta velocidad (HVOF) y la aleación de hierro cromo (FeCr)
por arco eléctrico serán mecanizados, la rugosidad no es una
variable a tomar en cuenta para los ensayos electroquímicos.
La rugosidad inicial del sustrato fue controlada antes de
realizar la deposición, las muestras fueron preparadas y
pasadas por lija 600, de modo de crear un buen perfil de
anclaje para el recubrimiento.
Los valores obtenidos de rugosidad en los recubrimientos
están descritos en la tabla 2. La rugosidad superficial
promedio (Ra) del recubrimiento por arco eléctrico de
aleación hierro cromo se obtuvo un valor de 6,8 ± 1,0mm.
mientras que en el recubrimiento de carburo de tungsteno
(WCCoCr) por alta velocidad (HVOF) 5,68 ± 0,81 mm.
Tabla N°.2. Mediciones de rugosidad para los diferentes
recubrimientos.
b.2.1.3 Porosidad
La evaluación de la porosidad se realizó con el analizador
de imágenes LECO IA 32, para lo cual se tomaron en total de
19 campos, se promediaron y se obtuvieron los resultados.
Tabla N°.3 Resultados de porosidad para los diferentes
recubrimientos.
El recubrimiento por la técnica de termorrociado con arco
eléctrico presenta la mayor porosidad promedio de 10,9 %,
mientras que el recubrimiento por la técnica de HVOF es
notablemente menor; 0,5%. Los resultados obtenidos
coinciden con lo encontrado por otros investigadores, es
decir, que para los procesos de alta velocidad (HVOF)
motivado a que la partícula tiene una mayor velocidad y
temperatura al impactar, se obtendrán recubrimientos mas
densos con porosidades menores al 2%, que para otros
procesos como el termorrociado por arco eléctrico [5].
Los recubrimientos depositados por proyección térmica
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289
poseen poros y otros defectos estructurales propios de las
condiciones a las que son aplicados, la defectuosidad
dependerá de la técnica utilizada para proyectar, y las
propiedades de protección al sustrato dependen de la
interconexión del poro con el sustrato. [6]. Considerando
que la porosidad interconectada constituye el camino de
acceso del electrolito corrosivo hacia el sustrato es de
esperarse que los recubrimientos de carburo de tungsteno
cobalto cromo por la técnica de alta velocidad HVOF tengan
una mayor resistencia a la corrosión que los FeCr obtenidos
por arco eléctrico.
Figura 9. Porosidad promedio para los diferentes
recubrimientos.
En la fig. 9, se presenta una micrografía obtenida por
microscopía óptica de la sección transversal donde se indica
la microestructura típica de los recubrimientos en condición
como rociada. Se observa la típica morfología lamelar paralela
al sustrato de los recubrimientos termorrociados, así como la
presencia de partículas no fundidas las cuales se reconocen por
su morfología típica esférica. Se confirma visualmente la
mayor presencia de porosidad en los recubrimientos obtenidos
por arco eléctrico, lo cual coincide con los valores reportados
en la sección anterior para la porosidad, las áreas más oscuras
que se pueden observar en las fotomicrografías son los poros
presentes. Así mismo, es importante notar la presencia de
grietas transversales en todo el recubrimiento y una cantidad
importante de partículas no fundidas, es decir estos
recubrimientos son más heterogéneos que los obtenidos por
HVOF (figura 10) [7] refieren que la porosidad conectada
desde la superficie del recubrimiento al sustrato es causada
principalmente por microporos entre las partículas
solidificadas (interface no adherida) y grietas lamelares y
verticales en las partículas aplanadas.
Figura 10. Fotomicrografía a 200X de las secciones
transversales de las muestras de recubrimiento por (a)
termorrociado por arco eléctrico por FeCr y (b) recubrimiento
termorrociado por HVOF con WCCoCr.
En los procesos de termorrociado las partículas en estado
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industria petrolera.
líquido o pastoso impactan con el sustrato deformándose para
construir un depósito de unidades acomodadas una sobre
otra, las cuales se conocen como lamelas [8].
La porosidad en la microestructura depende de la velocidad
y la temperatura de las partículas al impactar el sustrato,
siendo estos dos parámetros significativamente menores para
los procesos de termorociado por arco eléctrico [9].
En la figura 11 se tiene una fotomicrografía a mayor
aumento del recubrimiento de la aleación hierro cromo de
termorrociado por arco eléctrico, se observa una superficie
con presencia de poros en diferentes morfologías y tamaño.
290
Figura 12. Fotomicrografías por MEB y Espectros EDX de
la sección transversal de los recubrimientos por arco eléctrico
FeCr.
Con base en la técnica de microanálisis empleada, fue
posible determinar los elementos que presentes en las fases
del recubrimiento. En la Fig. 13 se observa el microanálisis de
la matriz y de una partícula no fundida. La matriz
principalmente se compone de hierro (Fe), cromo (Cr) y
tungsteno (W).
Figura 11. Recubrimiento por arco eléctrico FeCr a un
aumento de 100X sin ataque químico.
(a)
B.2.1.4 Morfología y Caracterización de Fases Presentes
En la Fig. 12, se presenta una imagen en modo de electrones
retrodisersados donde se presenta un aspecto general del
recubrimiento obtenido por arco eléctrico. Por ser esta
imágenes obtenidas en modo de electrones retrodispersados,
las diferencias de tonalidades nos indican diferencias de
composición, siendo más claras las zonas y/o fases que
contengan elementos con pesos atómicos mas altos y/o
pesados como el tungsteno, y el hierro y más oscuras las zonas
con presencia de elementos con números atómicos menores
como el Cr, así como de color negro las discontinuidades
como poros y grietas. Se observa la microestructura típica de
lamelas, partículas no fundidas y grietas asociadas al proceso.
Al igual que la porosidad, uno de los aspectos más importantes
microestructurales de los recubrimientos termorrociados son
las microgrietas, las cuales aparecen producto de los esfuerzos
térmicos generados durante la solidificación [7]. Su aparición
es indeseable debido a que proporcionan una ruta de acceso
que hace más fácil el contacto de un medio corrosivo con el
sustrato que se intenta proteger. [7].
Un microanalisis general de área indica un recubrimiento
constituido básicamente Hierro y cromo, con trazas de
Aluminio, Tungsteno, y Carbono. Las diferencias de tono o
coloración se atribuyen a diferencias en su composición
química de las fases presentes.
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(b)
Figura 13 Fotomicrografías por MEB y Espectros EDX de
la sección transversal de los recubrimientos por arco eléctrico
FeCr. (a) microanálisis de la matriz. (b) Microanálisis en
partícula no fundida.
Como se observa en la figura 14 (a) y (b), las fases oscuras
están principalmente compuestas de cromo (Cr, 93,7%), las
mas claras contienen mayor cantidad de hierro (Fe, 57,4%) y
tungsteno (W, 1.63%) y cromo (Cr, 39.54 %) en menor
proporción.
(a)
(b)
Figura 14. (a) microanálisis recubrimientos por arco
eléctrico FeCr de fase oscura. (b) Microanálisis en fase más
clara.
En la figura. 15, se presenta un aspecto general del
recubrimiento de carburo de tungsteno cobalto cromo
(WCCoCr) obtenido por termorrociado a alta velocidad
(HVOF). Se observa un recubrimiento homogéneo, denso y
compacto, con poca presencia de partículas no fundidas. El
microanálisis general de área revela que los elementos
mayoritarios presentes son tungsteno W (80%), el cobalto
(Co), el cromo (Cr), y el carbono(C).
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industria petrolera.
291
b.2.3 Abrasión
Los resultados de pérdida de peso en gramos (∆P)
obtenidos en las pruebas se indican en la tabla 5 y se grafican
en la Fig. 17.
Tabla N°.5 Resultados de pérdida de masa durante el
ensayo de abrasión para los sistemas propuestos.
Figura 15. Fotomicrografías por MEB y Espectros EDX de
la sección transversal de los recubrimientos por WCCoCr por
HVOF.
Las zonas más claras casi blancas tienen mayor porcentaje
de Tungsteno (W) y carbono (C) indicando que corresponde a
carburos de tungsteno, mientras que en las zonas grises
disminuye el tungsteno (W) incrementándose el cobalto (Co),
lo cual corresponde a la matriz. Las zonas más oscuras
tienen un menor contenido de tungsteno e importante
presencia de cromo (Cr) y cobalto (Co). Lo anterior coincide
por lo reseñado en la bibliografía para este tipo de
recubrimientos [8] es decir, que están formados por partículas
de WC embebidas en una matriz enlazante o aglutinante rica
en Co y Cr.
b.2.2 Ensayo de Microdureza
En la tabla 4 se presentan los valores de microdureza
obtenidos para ambos recubrimientos. La carga utilizada para
el ensayo fue de 100 kg-f. Se observa que el recubrimiento
con la mayor microdureza fue el de WCCoCr siendo la misma
prácticamente el doble que la obtenida para la aleación FeCr
por arco eléctrico. Lo anterior coincide con lo encontrado en la
literatura ya que el WC es bastante duro siendo su valor
promedio de dureza alrededor de 1320 HV.
Tabla N°. 4
propuestos.
Resultados de microdureza para los sistemas
En la Fig. 16, se presenta un aspecto de las
microidentaciones para ambos materiales, donde se
correlaciona que la huella más grande se obtiene para el
recubrimiento con menor microdureza.
Figura 16. Fotomicrografía del ensayo de microdureza de
los recubrimientos propuestos (a) Recubrimiento de FeCr por
arco eléctrico (b) recubrimiento de WCCoCr por HVOF.
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Se observa que la pérdida por desgaste para el
recubrimiento de carburo de tungsteno (WCCoCr) por
termorrociado a alta velocidad (HVOF) es un orden de
magnitud menor que para el sistema recubierto con la aleación
base FeCr por arco eléctrico. El mayor desgaste se obtuvo en
el sustrato con una pérdida de masa de 0,832 gr, mientras el
mejor resultado durante el ensayo de abrasión fue en las
probetas recubiertas con WcCoCr por la técnica de HVOF
presentado una pérdida de 0,0666 grs. Para el recubrimiento
FeCr se obtuvo 0,5911 grs, similar a los resultados obtenidos
en el sustrato. (Ver figura 16)
Figura 17. Gráfico de los resultados de pérdida de masa
durante el ensayo de abrasión
Tanto en las leyes del desgaste por adherencia como las del
desgaste por abrasión muestran que entre más duro sea un
componente, más resistente será al desgaste y esto se confirma
en la práctica, lo cual coincide con los resultados obtenidos en
esta investigación. El fenómeno de desgaste se atribuye a la
interacción plástica de los metales. La deformación plástica
de los metales ocurre por deslizamiento, esto es, por el corte
de los planos de átomos que se encuentran sobre otro. El
deslizamiento es anisótropo y la dirección es casi siempre
aquella en que los átomos se encuentran empacados de manera
más compacta.
La estructura cristalina influye en la
plasticidad de una interfase. Por tanto, la dureza tiene un gran
efecto sobre el desgaste de los materiales por los mecanismos
de deformación plástica [7]. Siendo el carburo de tugnsteno la
principal fase presente en el recubrimiento WCCoCr es de
esperarse que su comportamiento en condiciones de desgaste
abrasivo sea mejor que para el recubrimiento FeCr.
b.2.4 Ensayos Electroquímicos.
Para evaluar la resistencia a la corrosión de los sistemas
recubrimiento-sustrato se procedió a realizar ensayos
acelerados
mediante
la
técnica
de
polarización
potenciodinámica.
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Los resultados son mostrados en la tabla 6. Las curvas de
polarización para los recubrimientos se presentan en la Fig.
19. A fin de poder establecer comparaciones, en la misma
figura se presenta la curva de polarización correspondiente al
sustrato de acero.
Tabla N°.5 Resultados de ensayos electroquímicos para
los sistemas propuestos.
Figura 18-. Grafico de Potencial Vs corriente (Curva
potenciodinámica) para los diferentes sistemas y sustratos,
realizados en NaCl 3%.
En la Fig. 18 se evidencia que el recubrimiento de carburo
de tungsteno cobalto cromo (WCCoCr) por la técnica de
termorrociado a hipervelocidad (HVOF) es que el que
presenta los mejores resultados. El potencial de corrosión es
mas noble (mas positivo) que el correspondiente al sistema
FeCr, lo que indica que tiene una menor tendencia
termodinámica a corroerse y de igual manera se evidencia una
densidad de corriente de corrosión (icorr) catorce veces
menor para el sistema WCoCr y por ende es de espera una
menor velocidad de corrosión. Lo anterior pone de manifiesto
que la aplicación del recubrimiento de carburo de tungsteno
cobalto cromo (WCCoCr) mejora la resistencia a la corrosión
del sustrato bajo las condiciones de ensayo.
El recubrimiento por arco eléctrico no protege al sustrato
de la corrosión, ya que la densidad de corriente de corrosión
(icorr) obtenida es superior a la del sustrato.
La evaluación de la protección del recubrimiento a la
corrosión puede cuantificarse en términos de capacidad de
retención del avance de los electrolitos. El papel de la
porosidad interconectada y la formación de óxidos frente al
ataque de las especies es la clave en este aspecto. El
recubrimiento de la aleación base hierro cromo por arco
eléctrico, posee un icorr superior, lo cual se relaciona con la
microestructura que posee una mayor cantidad de defectos
como poros y grietas, los cuales al estar interconectados con el
sustrato permiten que el medio corrosivo permee y que las
especies alcancen al sustrato y se inicien los procesos
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corrosivos.
Comparando los dos recubrimientos utilizados se observa
que el recubrimiento en Carburo de tungsteno cobalto cromo
(WCCoCr) por termorrociado a alta velocidad (HVOF) tuvo
resultados favorables en los ensayos de abrasión y corrosión,
además de ser el recubrimiento más homogéneo y con
mayor dureza, lo cual coincide con las investigaciones
realizadas por otros autores los cuales recomiendan la técnica
para aplicarse en componentes que trabajan en medios
agresivos. [10]
Los materiales duros son una familia de materiales
compuestos, metal-cerámicos, muy resistentes al desgaste y
fabricados a partir de un proceso pulvimetalúrgico, que
generalmente son conocidos por el nombre genérico de
carburos cementados o cermets. Estos materiales están
constituidos por dos fases: una metálica que actúa como
enlazante o cementante y otra fase cerámica constituida por
partículas de carburo.
Los revestimientos de carburo de tungsteno son uno de los
más utilizados para la protección contra el desgaste en la
industria, principalmente en sistemas aeroespaciales,
automovilísticos, de transporte y generación de energía. En
algunas aplicaciones, además de estar sometidos a procesos de
desgaste, los componentes están en contacto con ambientes
químicamente agresivos y la corrosión puede ser el principal
factor de degradación de la superficie y acelerar
significativamente el proceso de desgate
Los recubrimientos protectores de carburos son aplicados
generalmente sobre la superficie de los componentes a través
de procesos de rociado térmico incluyendo rociado térmico
por plasma, por llama de alta velocidad (HVOF) o por
detonación. Dentro de los tres el proceso de rociado por
plasma es el más económico. [7].
III. CONCLUSIONES
1. La falla de las válvulas está asociada al desgaste de los
asientos y obturador, con una pérdida importante de
tolerancia dimensional consecuencia del alto contenido de
arena el cual está fuera de especificaciones.
2. Los mejores resultados de microdureza obtenidos fueron en
el sistema de recubrimiento por termorrociado a alta velocidad
de WCCoCr con un valor de 1031 Hv.
3. El recubrimiento con mejor desempeño a nivel de desgaste
abrasivo fue el WCCoCr por HVOF, lo cual es atribuido a la
mayor integridad microestructural y dureza que posee el
recubrimiento.
4. La mayor resistencia a la corrosión se determino para el
recubrimiento de WCCoCr con un valor de icorr catorce veces
menor que le del recubrimiento FeCr.
5. El principal mecanismo de corrosión detectado fue el paso
del medio corrosivo a través de los poros y grietas presentes
en el recubrimiento hasta el sustrato ocurriendo los procesos
UNEXPO. Rocco, Gil. Evaluación del comportamiento de recubrimientos aplicados en internos de válvulas para la
industria petrolera.
corrosivos. La mayor porosidad y heterogeneidad se obtuvo
para el recubrimiento por arco eléctrico de FeCr siendo 20
veces mayor que para el
Recubrimiento WCCoCr.
IV. REFERENCIAS
[1] Marcelino P Nascimento, Renato C Souza, Ivancy M Miguel,
Walter L Pigatin, Herman J.C Voorwald. Effects of tungsten
carbide thermal spray coating by HP/HVOF and hard chromium
electroplating on AISI 4340 high strength steel. Surface and
Coatings Technology, Volume 138, Issues 2–3, 16 April 2001,
Pages 113-124
[2] Norma ASTM E- 45
[3] Norma ASTM G65-00.
[4] Norma ASTM G-5.
[5] L. Gil. Tesis Doctoral “Optimización de la calidad de
recubrimientos base níquel obtenidos por
termorrociado
HVOF”. Universidad Central de Venezuela. Caracas 2002.
[6] Vargas, F.; Calderón, J. y Calle, J.E. (2007). “Influencia de la
porosidad en la resistencia a la corrosión de recubrimientos
depositados mediante proyección térmica”. Universidad
Tecnológica de Pereira
[7] Liao, B. Normand, C. Coddet. Influence of coating microstructure
on the abrasive wear resistance of WC/Co cermet coatings.
Surface and Coatings Technology, Volume 124, Issues 2–3, 21
February 2000, Pages 235-242H.
[8] Noriega R. Raymundo L. Optimización del rociado térmico por
plasma de recubrimientos de carburo de Tungsteno con 12%
Cobalto. Junio 2009. Página 21. Puerto Ordaz. Venezuela.
[9] A.P. Newbery, P.S. Grant, R.A. Neiser. The velocity and
temperature of steel droplets during electric arc spraying. Surface
and Coatings Technology, Volume 195, Issue 1, 23 May 2005,
Pages 91-101
[10] H.W Jin, C.G Park, M.C Kim. Microstructure and amorphization
induced by frictional work in Fe–Cr–B alloy thermal spray
coatings. Surface and Coatings Technology, Volume 113, Issues
1–2, 12 March 1999, Pages 103-112.
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