Evaluación Daño por Creep: Técnicas No Destructivas

NUEVAS TENDENCIAS EN LA EVALUACION DEL DAÑO POR CREEP A
TRAVES DE TECNICAS NO DESTRUCTIVAS
Rodolfo Mussini
Instituto de Ensayo de Materiales - Universidad de la República - Facultad de Ingeniería
J. Herrera y Reissig 565 – Montevideo - Uruguay.
[email protected]
Mario González
Instituto de Ensayo de Materiales - Universidad de la República - Facultad de Ingeniería
J. Herrera y Reissig 565 – Montevideo - Uruguay.
[email protected]
Resumen: Las exposiciones durante largo tiempo a temperaturas elevadas y tensión producen cambios en la estructura de un
material, generación y crecimiento de defectos internos y por lo tanto un deterioro de las propiedades funcionales del mismo. Estos
cambios en las propiedades, los cuales controlan la vida en componentes de acero de baja aleación al Cr-Mo son causados
principalmente por los siguientes procesos microestructurales: precipitación y transformación de carburos, descomposición de áreas
de perlita/bainita, segregación de especies químicas, cambios en la morfología de los carburos y cambios en la composición química
de la matriz. Tales variaciones estructurales afectan a diversos mecanismos de daño entre los cuales se encuentra el creep. Este
mecanismo de daño controla la vida de diversos tipos de componentes en plantas de generación de potencia, refinerías de petróleo y
otras que operan en condiciones similares. La metodología que comprende ensayos y análisis que conducen a la extensión de la
operación en condiciones de seguridad de tales componentes, es designada como tecnología de evaluación de vida remanente. A
través de esta tecnología, diferentes tipos de ensayos y análisis de naturaleza destructiva y no destructiva están disponibles para la
evaluación de daño en componentes en condiciones de creep. Dentro de éstos últimos podemos mencionar como ejemplos clásicos a
la metalografía de réplicas y el monitoreo de la deformación. No obstante, también existen otros métodos no destructivos más
recientes y que se encuentran actualmente en etapa de investigación, éstos son: el ultrasonido y análisis de carburos. La metalografía
de réplicas tiene un amplio desarrollo como técnica de evaluación. Sin embargo, posee aún algunas limitaciones que estimulan el
desarrollo de otras técnicas que permitan disminuir la incertidumbre de sus estimaciones. El objetivo del presente trabajo consiste en
el estudio conjunto de las técnicas de metalografía de réplicas y análisis de carburos, en particular aplicadas al caso de aceros al CrMo para uso a altas temperaturas.
Keywords. Integridad, creep, réplicas, carburos, no destructivos
NEW TRENDS IN THE EVALUATION OF CREEP DAMAGE THROUGH NON
DESTRUCTIVE TECHNIQUES
Abstract: The exposition during long time at high temperatures and stress produces changes in the structure of a material,
generation and growth of internal defects and therefore a deterioration of its functional properties. These changes in the properties,
which control the life in low alloy steels components such as Cr-Mo steels, are caused mainly by the following microstructural
processes: precipitation and transformation of carbides, decomposition of perlite/bainite areas, segregation of chemical species,
changes in morphology of carbides and changes in the chemical composition of the matrix. These structural variations affect several
mechanisms of damage among which the creep is found. This latter mechanism of damage controls the life of several types of
components in power generation plants, petroleum refineries and other plants that operate in similar conditions. The methodology
that cover tests and analysis which lead to the extension of operation in safe conditions of such components is refered as remmanent
life assessment technology. Through this technology several types of tests and analysis destructive and non destructive in nature, are
available for damage evaluation in components under creep conditions. As a classical examples of these we can mention the
metallographic replicas and creep strain monitoring. Nevertheless, there also exist another more recent non destructive tests which
currenly are at the development stage, these are: the ultrasonic techniques and the analysis of carbides. As evaluation technique,
metallographic replicas has a wide development. However, it still possess some limitations that stimulate the development of other
techniques which allow to diminish the uncertainty of its estimations. The aim of the present work consist in studying the
techniques of metallographic replicas and analysis of carbides as a whole, in particular applied to the case of Cr-Mo steels used for
high temperature applications.
Keywords. Integrity, creep, replicas, carbides, non destructive
1. Introducción
Un gran porcentaje de plantas de generación de potencia, petroquímicas y químicas de todo el mundo han estado en
operación por períodos de tal duración que sus componentes críticos han sido usados mas allá de su vida de proyecto de
30 ó 40 años. Existe un interés creciente por parte de muchos de los propietarios de las plantas en continuar la operación
de éstas por otros 20 y hasta 40 años más. Viswanathan ha puntualizado los factores que han conducido a ésta situación,
algunos de ellos son:
02 a 06 de Junho de 2003 / June 2 to 6 2003
Rio de Janeiro - RJ - Brasil
1)
2)
3)
4)
5)
6)
El aumento en los costos de las nuevas construcciones y la disminución de recursos financieros
Excesivo tiempo en la construcción de nuevas plantas
Incertidumbres en proyectar la velocidad de crecimiento de la demanda
Limitada disponibilidad de sitios adecuados para nuevas construcciones
Incremento en la severidad de regulaciones medioambientales, de seguridad y otras
Incremento en el conocimiento de la factibilidad tecnológica de la extensión de vida del componente
Diversos estudios preliminares han mostrado que el costo de extensión de vida de una planta de generación típica
puede ser de sólo 20 a 30 % del costo de construcción de una nueva planta.
El término extensión de vida ha sido frecuentemente mal interpretado. El propósito de las actividades de extensión
de vida no es continuar la operación mas allá de la vida útil de una planta, sino simplemente asegurar la consumición
total de la misma.
Un ingrediente clave en la extensión de vida de una planta es la tecnología de evaluación de vida residual. Si tal
evaluación indica la necesidad de reemplazos excesivos o remodelaciones, la extensión de vida puede resultar no ser
una opción válida. Mas allá de este objetivo la tecnología de evaluación de vida residual sirve para muchos otros
propósitos. Ella ayuda a establecer adecuados cronogramas de inspección, procedimientos de mantenimiento y
procedimientos de operación. Los datos y metodología necesarios para la extensión de vida son los mismos que los
necesarios para la optimización de estos factores. Sin embargo, debe reconocerse en principio que el desarrollo de
técnicas de evaluación de vida tiene un valor mas sustentado y un propósito mas amplio que simplemente la extensión
de vida de una planta. Por ejemplo, ha sido posible extender los intervalos de inspección de seis a diez años en rotores
modernos sobre la base de evaluaciones basadas en mecánica de fractura, resultando en considerables ahorros. Las
técnicas de evaluación de vida pueden cuantificar la penalización en términos de reducción en la vida de una planta
resultantes de un cambio en el modo de operación de la misma. Los procedimientos de parada y arranque para
componentes de plantas pueden ser optimizados resultando en un incremento de la eficiencia, confiabilidad y vida.
En vista de los múltiples beneficios de la tecnología de evaluación de vida, considerables investigaciones han sido
llevadas a cabo en esta área durante los últimos años.
La tecnología de extensión de vida implica el conocimiento tanto de los diversos mecanismos de daño que pueden
estar presentes en los componentes, como de las técnicas de análisis destructivas y fundamentalmente no destructivas,
que permiten evaluar con la mayor precisión posible el efecto del daño. Uno de los mecanismos de daño que está
presente en equipos que trabajan a altas temperaturas es el creep.
Las fallas que se producen por creep pueden ser clasificadas como resultantes de daño global o de daño localizado.
Los componentes estructurales que son vulnerables al daño global están sometidos a cargas y temperaturas
relativamente uniformes durante el servicio. Si una muestra de material de tal componente es examinada, ella
representará verdaderamente el estado de daño del material que la rodea. Por otro lado, componentes que están
sometidos a gradientes de tensión (deformación) y temperatura (secciones gruesas) pueden no fallar por daño global.
El presente trabajo comprende el estudio de algunos de los métodos no destructivos más relevantes de evaluación
de vida remanente en componentes que operan a altas temperaturas en condiciones de creep. Dichos métodos están
basados en criterios de análisis de daño global. Se describirán las técnicas de metalografía de réplicas y de análisis de
carburos con mayor énfasis en los métodos de evaluación, realizando un análisis de aquellos factores que constituyen
fuentes de dispersión de los resultados. No serán tenidas en cuenta aquellas fuentes provenientes de los procedimientos
de extracción de muestras. También se describirán en forma breve las técnicas de ultrasonido y de medida de la
deformación.
2. Evaluación mediante metalografía de réplicas
2.1. Principios operacionales
La metalografía de réplicas es un método de evaluación no destructivo basado en la observación de la
microestructura del componente. Dicha observación suele realizarse de un modo indirecto, a través de una reproducción
negativa de la superficie pulida metalográficamente y posteriormente atacada. Esta reproducción se obtiene mediante
una película plástica, llamada réplica, la cual copia el relieve de la superficie tal como se muestra esquemáticamente en
la figura 1. El procedimiento para la obtención de muestras incluye varias etapas: preparación de la superficie “in situ”,
ataque para revelar la microestructura, observación mediante microscopio portátil y obtención de la réplica. La
observación de ésta se realiza luego de aplicar una película reflectiva (oro o aluminio). Dicha observación se lleva a
cabo en el microscopio óptico o electrónico de barrido (SEM).
Figura 1: Secuencia de obtención de la réplica: 1 superficie pulida y atacada, 2 aplicación de la
película plástica ablandada y 3 réplica que constituye el negativo de la superficie
La calidad de la réplica depende en gran medida de la calificación del personal. Si el ensayo es realizado
adecuadamente se pueden resolver detalles del orden de 0,1 µm.
2.2. Transformaciones de la microestructura que ocurren durante el creep
En los aceros sometidos a condiciones de creep es de suma importancia conocer la secuencia con que ocurren las
transformaciones para tratar de establecer una relación entre éstas y la magnitud del daño en un componente. Ejemplos
de estas secuencias pueden ser: la descomposición de la perlita, la transformación y precipitación de nuevos carburos y
la nucleación, crecimiento y coalescencia de microcavidades. Las características de estas secuencias dependen
esencialmente de la composición química del acero, de su microestructura inicial, de la temperatura y de la tensión.
El análisis mediante metalografía de réplicas permite evaluar la secuencia de transformaciones que tienen lugar en
las colonias de perlita y la esferoidización de los carburos. Adicionalmente, suministra información acerca de la
presencia y evolución de microcavidades.
Toft y Marsden han elaborado una secuencia de transformación al estudiar muestras de acero 1Cr-0,5Mo, las cuales
fueron tomadas de tubos que operaron en régimen de creep, en diferentes plantas de generación de potencia. Las
condiciones operación de los tubos fueron 27,6-45,5 MPa de tensión y temperaturas en el rango 510-565 °C. Mediante
observación al microscopio óptico el grado de esferoidización de toda la población de tubos fue clasificado en cinco
diferentes estados. En las figuras 2 a 7 se ilustran dichos estados, incluyendo la microestructura inicial, o sea antes de
comenzar el servicio.
Figura 2: Esferoidización estado A. Ferrita y perlita muy Figura 3: Esferoidización estado B. Primeros signos de
fina. Corresponde a un material sin uso.
esferoidización usualmente acompañado por precipitación
en bordes de grano.
Figura
4:
Esferoidización
estado
C.
Apreciable Figura 5: Esferoidización estado D. La esferoidización es
esferoidización de la perlita pero algunos carburos completa pero algunos carburos todavía permanecen
laminares todavía están presentes.
agrupados en las colonias originales de perlita.
Figura 6 Esferoidización estado E. Los carburos se Figura 7 Esferoidización estado F. El tamaño de algunos
muestran dispersos dejando pequeñas trazas de las áreas carburos se ha incrementado por coalescencia.
originales de perlita.
Por otra parte, Neubauer y Wedel estudiaron la evolución de las microcavidades, las cuales usualmente aparecen en
aceros sometidos a condiciones de creep, sobre el final de la etapa secundaria y principios de la etapa terciaria. En la
figura 8 se observa una correlación entre una curva de creep y la formación y evolución de estas microcavidades. En el
punto A, sobre el final de la etapa secundaria II, se aprecia la nucleación de las mismas en bordes de grano y puntos
triples.
Figura 8: Aparición de daño en la microestructura.
La transición de la etapa secundaria a la terciaria, punto B, está relacionada con una mayor nucleación y
orientación. Finalmente en el punto C, las microcavidades comienzan a coalescer para formar microfisuras, en tanto que
en el punto D aparecen macrofisuras, las cuales preceden a la fractura.
2.3. Métodos de evaluación
Mediante la técnica de réplicas metalográficas se pueden realizar estimaciones de la vida residual de componentes,
basadas en las secuencias de transformaciones microestructurales y de las microcavidades. Toft y Marsden realizaron
ensayos de tensión-tiempo de rotura de muestras extraídas de tubos en servicio, las cuales presentaban distintos estados
de esferoidización. Dichos ensayos fueron realizados a 510 y 565 °C, en la figura 9 se muestran las curvas obtenidas
para 510 °C.
Figura 9: Curvas de tensión-tiempo de rotura para distintos grados de
esferoidización en probetas ensayadas a 510 °C (1 ton/in2 = 13,79 MPa).
Estos resultados pueden ser utilizados como criterio de evaluación de la vida residual de un componente si se
conoce la tensión, la temperatura y el grado de esferoidización en un componente.
De forma similar, la estimación basada en el análisis de microcavidades consiste en estudiar la evolución de las
mismas tal como se describió anteriormente. Neubauer a través de al correlación mostrada en la figura 8, propuso la
siguiente guía para la operación segura de un componente.
Parámetro A: Se puede disponer de un mínimo de 3 años de funcionamiento normal hasta una nueva inspección.
Parámetro B: Mínimo de servicio de 1 a 1,5 años y realizar una nueva reinspección.
Parámetro C: Puede continuar en servicio hasta reparación por un tiempo de medio año.
Parámetro D: Se debe reparar inmediatamente.
Sin embargo, el trabajo de Neubauer no provee información acerca de las condiciones mediante las cuales fue
obtenida la correlación de la figura 8. Esto es, no se reporta la composición química del acero, microestructura de
partida, nivel de tensión y temperatura.
Viswanathan ha establecido una relación entre el rango de vida consumida y la clasificación de Neubauer para el
acero 1Cr-0,5Mo, la misma se muestra en la figura 10. En esta figura, la fracción de vida consumida está definida por
t/tr, siendo t el tiempo gastado en servicio y tr tiempo total hasta la falla.
Figura 10: Correlación entre el parámetro de clasificación de
microcavidades y la fracción de vida consumida para acero 1Cr0,5Mo.
2.4. Alcances y limitaciones de los métodos de evaluación
La metalografía de réplicas es usada frecuentemente para evaluar la vida residual de componentes en condiciones
de creep. Un uso eficiente de la misma implica el análisis de aquellas zonas donde existe mayor probabilidad de
detectar este tipo de daño. Las mismas pueden ser uniones soldadas y regiones donde existe un incremento local en la
tensión. Adicionalmente la técnica de metalografía de réplicas, permite detectar pequeños defectos de fabricación no
puestos de manifiesto mediante otras técnicas de END usualmente empleadas para la inspección de equipamiento.
La selección del método de evaluación implica un análisis preliminar de todas las muestras obtenidas, de la
información relativa a las condiciones de operación y obviamente de los datos del material. Una forma lógica de trabajo
involucraría la identificación del tipo de transformación o daño, el cual debería ser comparado con secuencias ya
estudiadas para el mismo material en las mismas condiciones de operación. Estas secuencias establecidas previamente
constituyen en sí mismas los métodos de evaluación. Infelizmente, existe una tendencia a realizar evaluaciones sobre la
base de métodos obtenidos para aceros con diferente composición química y bajo diferentes condiciones de solicitación.
En la figura 10 se aprecia que aún para una misma clase de composición química, esto es 1Cr-0,5Mo, la evaluación
según el criterio de Neubauer puede arrojar una elevada dispersión cuando es utilizada para estimar de la vida
consumida.
Al realizar estimaciones de la vida residual utilizando el criterio de Toft y Marsden, muchas veces no es conocida
la microestructura de partida, este hecho también puede constituir una fuente de dispersión en los resultados. En efecto,
la velocidad con que ocurren las transformaciones en aceros sometidos a condiciones de creep depende en gran medida,
de su microestructura inicial. Dos aceros de la misma clase de composición química, en función del tipo de tratamiento
térmico recibido durante su proceso de fabricación, pueden presentar diferentes microestructuras. Así, un acero 1Cr0,5Mo, antes de ser sometido a
condiciones de servicio, muestra variaciones que van desde ferrita+perlita,
ferrita+perlita+bainita hasta ferrita+bainita.
Dobrzanski y Hernas han estudiado el efecto de estas variaciones microestructurales en la resistencia el creep. La
variación de la tensión en función del parámetro de Larson-Miller (PLM = T(C + log tr)*10-3 ) para el acero antes
mencionado se muestra en la figura 11. En dicha figura también se superpone la resistencia al creep promedio, Rz. En la
figura 12 se observan los resultados de la elongación a 550 °C.
Figura 11: Resistencia al creep en función del PLM para
diferentes estructuras iniciales.
Figura 12: Elongación en función del PLM para estructura inicial de
bainita+ferrita 1, bainita+perlita+ferrita 2, ferrita+perlita 3
El acero constituido por ferrita+bainita presenta la mayor resistencia al creep, sin embargo posee una muy reducida
elongación a 550 °C. Cuando la microestructura consiste en ferrita+perlita se tiene una mayor elongación, pero su
resistencia se encuentra en una banda ubicada entre Rz y Rz-20 %.
Opiniones hasta ahora existentes sobre el rol del estado inicial del acero (estructura y propiedades) y su influencia
sobre el comportamiento en servicio son modificadas por la aparición de nuevas evidencias. Se ha encontrado que la
ferrita + perlita es la mejor microestructura para componentes de acero clase 1Cr-0,5Mo que operan en condiciones de
creep. Aunque la resistencia al creep de tales estructuras es mas baja que la de aceros que contienen bainita, su
estabilidad microestructural es significativamente mayor. Dicha estabilidad esta relacionada con:
a) menor velocidad de descomposición de la perlita
(fragmentación, esferoidización) en comparación con la
velocidad de descomposición de la bainita
b) un mayor tiempo necesario para alcanzar la estructura de ferrita + carburos dispersos
Las consideraciones anteriores implican que aun para una misma clase de composición química del acero, de no ser
tenida en cuenta la microestructura de partida, pueden generarse incertidumbres al realizar evaluaciones basadas en
secuencias de transformaciones de la misma. En efecto, la estructura de equilibrio la cual consiste en ferrita + carburos
dispersos, usualmente es asociada con un avanzado estado de daño microestructural. Dos aceros de la misma
composición química pueden presentar similares estados intermedios de daño. Sin embargo, si uno de ellos contiene
en su estructura inicial bainita y el restante perlita, el primero alcanzará antes el equilibrio. O sea, de no tener en cuenta
esta variable, una estimación de la vida residual puede conducir a resultados optimistas o pesimistas.
3.Análisis de carburos
3.1. Descripción general de los carburos
En aceros la formación de carburos binarios puros en general no existe, debido a que siempre hay algo de
solubilidad de varios de los elementos de aleación en los diversos tipos de fase carburo; en algunos casos la solubilidad
puede llegar a ser muy grande .Woodhead y Quarrell han propuesto designar a los carburos utilizando una fórmula
general, por ej. M3 C, M23 c6 , M6 C, donde M indica una mezcla de átomos metálicos. Frecuentemente estos carburos son
estables en un apreciable rango de composiciones es decir, ellos son no estequiométricos. La fórmula general debería
ser vista como la representación de cierto tipo estructural, en lugar de una especie química específica. Algunas veces
hay una apreciable solubilidad del nitrógeno, esto es particularmente cierto para los carburos cúbicos del tipo MC y para
los hexagonales del tipo M 2 C, para los cuales existen usualmente nitruros isomorfos. Estos carburos y nitruros
presentan una completa solubilidad entre si. En tales casos, es probablemente mejor utilizar la designación de fases MX,
M 2 X, etc. donde X representa una mezcla de átomos intersticiales. Peedle y Pickles describieron a los carburos
usualmente encontrados en aceros 2,25Cr-1Mo. A continuación, se detallan algunos de ellos:
M 3 C - Es un carburo rico en Fe el cual tiene la estructura ortorrómbica de la cementita, consecuentemente el es
usualmente designado como Fe3 C. El Cr es altamente soluble en M3 C, el Mn y Mo también lo son, aunque en menor
grado. Puede disolver entre 5 y 30% en masa de Cr, hasta 20% en masa de Mo y hasta 10% en masa de Mn. Tiene la
estructura ortorrómbica de la cementita Fe3 C con parámetros de red a = 4,524 Å, b = 5,088 Å y c = 6,741 Å.
M 2 C - Tiene la estructura hexagonal compacta del Mo2 C, el cual tiene un parámetro de red de a = 3,002 Å y c = 4,724
Å. El es un carburo rico en Mo el cual puede disolver Cr y el Fe; Cr entre 5 y 20% en masa y Fe hasta 12% en masa. El
contenido de Mo se encuentra entre 69 y 90% en masa. El precipita intragranularmente por nucleación de una fina
dispersión de partículas aciculares coherentes. El M 2 C causa endurecimiento secundario y es por lejos el responsable
de la resistencia al creep de los aceros al Cr-Mo, aunque largos tiempos de revenido causan engrosamiento y pérdida de
la coherencia con la matriz conduciendo a un decrecimiento en la dureza y a una reducción de la resistencia al creep.
Este carburo eventualmente puede disolverse y ser reemplazado por M 6 C en ferrita y por M 23 C6 en bainita. Se ha
encontrado que el que el M2 C coexiste con el M 6 C y M23 C6 después de tiempos de exposición de hasta 1,9*105 h en
aceros expuestos al servicio.
M 6 C - Este carburo es visto como un constituyente de equilibrio en aceros 2,25Cr1-Mo y 1Cr-0,5Mo. Es un carburo
rico en Mo en el cual Fe, Cr, Mn y Si también pueden ser disueltos. El rango de composiciones oscila entre 30 y 60% en
masa de Mo, entre 28 y 40% en masa de Fer y entre 5 y 20% en masa de Cr. Tiene una estructura cúbica centrada en las
caras con un parámetro de red de a = 11,08 Å. Se ha encontrado que el M 6 C se nuclea en la interfase de carburos
existentes con la matriz de ferrita, creciendo a expensas del M 2 C, M 7 C3 y M 23 C6 .
3.2. Principios operacionales
En general, hasta el presente este tipo de análisis ha sido llevado a cabo en condiciones de laboratorio, estudiando
muestras de láminas delgadas o de réplicas de extracción. Sin embargo, Benvenutti y colaboradores también han
realizado análisis de carburos extraídos en campo. Dichas extracciones fueron realizadas sobre la superficie de diversos
componentes estudiados y en diferentes puntos considerados como críticos. El microanálisis de los carburos se realiza
con microscopio electrónico de transmisión (TEM). A través del mismo y mediante técnicas especiales se puede
conocer tanto la composición química, como el parámetro de red de los diferentes tipos de carburos.
3.3. Transformaciones de los carburos
Toft y Marsden encontraron que durante el envejecimiento del acero 1Cr-0,5Mo en condiciones de operación en
plantas de potencia, se producen cambios en los carburos existentes Fe3 C y Mo2 C. Adicionalmente, también se produce
la precipitación de nuevos carburos tales como Cr7 C3 y M6 C, los cuales no se encuentran presentes en el acero antes de
comenzar el servicio. En efecto, en áreas ferríticas se produce la precipitación y crecimiento de Cr7 C3 y Mo2 C, mientras
que en áreas originalmente constituidas por perlita, tiene lugar la esferoidización y cambios en la composición de Fe3 C
a Cr7 C3 y Mo2 C. Finalmente, durante el estado mas avanzado de envejecimiento (etapa F), se produce la precipitación
de M 6 C a partir de la disolución de Mo2 C. Dobrzanski y Hernas, al realizar ensayos de creep-rotura de material
envejecido en condiciones de servicio, han encontrado que la velocidad de creep de estado estacionario, está
relacionada con el tipo y la fracción en volumen de los carburos presentes. Así, cuando los carburos M23 C6 y M6 C
aparecen en la microestructura, la velocidad de creep crece significativamente, este efecto se aprecia en la figura 13.
Figura 13: Influencia de la constitución de fases y el
tiempo de rotura para un acero 1Cr-0,5Mo
Curva
Constitución de fases
M
M 6 C (2) + M 7 C3 (3) + Mo2C (4)
L
M 23 C6 (1) + Mo2 C (3) + M 3 C
D
M 23 C6 (2) + M 3 C (3)
E
M 23 C6 (2)+ M 3 C (3) + Mo2 C (4)
C
M 3 C (1)+ Mo2 C (4) +M 6 C
9
M 3 C (1) + Mo2 C
(1) fase principal
(2) mucho (3) cant.media (4) poco
3.4. Alcances y limitaciones de los métodos de evaluación
Es sabido que el carburo Mo2 C (o M2 C) es por lejos el responsable del aumento en la resistencia al creep de los
aceros al Cr-Mo. Debido a esto, la cantidad relativa de dicha fase, presente en un acero envejecido durante el servicio,
puede constituir una medida de la vida residual del mismo. Similarmente, la cantidad relativa de M 6 C también podría
constituir una medida indirecta de la vida residual debido a que, según Toft y Marsden este tipo de carburo, precipita a
partir de la disolución del Mo2 C.
Benvenutti ha postulado que esta potencial metodología de evaluación no destructiva, parece ser menos sensible a
variaciones en la microestructura de partida que la técnica de metalografía de réplicas. Sin embargo, hasta el presente la
misma no ha podido alcanzar un gran desarrollo, debido a dificultades experimentales tales como incertidumbres en la
representatividad de la muestra de carburos extraídos desde un componente. Esto es, existen dudas acerca de si la
fracción en volumen extraída representa en realidad la fracción presente en el componente. Adicionalmente, tampoco
existen referencias cuantitativas acerca de cual es la relación entre la fracción en volumen de carburo M6 C y la fracción
de vida consumida (t/tr) para una determinada clase de acero.
4. Ultrasonido
La penetración del ultrasonido dentro de los metales conduce a un número de efectos los cuales pueden
utilizados para detectar microcavidades de creep y microfisuras. La aparición de fisuras o cavidades cambia
condiciones de propagación de la onda y así la velocidad del sonido se ve modificada. Sin embargo, el efecto es
pequeño (aproximadamente 1%) que no puede ser usado con mucha confianza, especialmente cuando la dispersión
los datos experimentales es tenida en cuenta.
ser
las
tan
de
En un ensayo típico de ultrasonido, un espectro de ondas se propaga desde un palpador en la superficie a través de la
muestra. Las ondas interactúan con el metal y son eventualmente reflejadas desde el lado opuesto y detectadas como
ecos en el receptor. Hay dos ecos mayores, el primero de componentes de alta frecuencia y el segundo de componentes
de baja frecuencia. El primero es atenuado por defectos de mucho mayor magnitud que el segundo y así puede ser usado
para detectar daño. Bhadeshia ha citado a Nakashiro y colaboradores quienes han afirmando que a pesar de la
sensibilidad aceptable del método, la atenuación tiende a ser afectada por la calidad del contacto entre el cabezal y la
muestra. Esto es, por el tamaño y geometría de la muestra, siendo entonces de difícil aplicación en la práctica. En lugar
de esto ellos, han propuesto un método basado en el análisis del ruido de alta frecuencia, el cual precede al arribo del
primer eco de fondo. El ruido en ausencia de defectos es primeramente definido a partir de un espectro obtenido usando
una muestra libre de defectos. El ruido es el área del espectro en unidades de MHz*dB. El área medida en una muestra
dañada es reducida en relación al ruido asociado a la misma muestra libre de defectos, definiendo el parámetro de ruido
N, el cual parece ser muy sensitivo al daño.
5. Medida de la deformación
La medida de la deformación de creep es una medida directa de la vida residual, esto se aprecia en la figura 14. Esta
es una magnitud que puede ser monitoreada durante el servicio usando una variedad de técnicas. Se ha estimado que
para obtener una precisión del 10% en las predicciones de vida residual, se requiere una apreciación en la medida de la
deformación de 0,01%. Estos métodos incluyen mediciones continuas (on line) usando strain gauges, mediciones
discontinuas durante paradas de mantenimiento, el uso de grillas de medición y el uso de extensómetros especiales.
Bhadeshia citando a Parker ha puntualizado que deben tomarse precauciones sobre las distancias sobre las cuales se
realiza la medición sean representativas para el componente involucrado. Por ejemplo, una unión soldada tiene una
microestructura heterogénea, de esta forma el valor de la deformación en la zona afectada térmicamente puede ser
mucho mayor que el valor obtenido al medir a través de la junta. A pesar de estas dificultades, es posible relacionar
directamente la deformación con la vida residual usando un modelo apropiado
Figura 14: Variación de la deformación de creep con la fracción de vida residual (adaptado de Parker)
6. Conclusiones
Hasta el presente se han desarrollado diferentes métodos de evaluación no destructiva del daño de creep. Sin
embargo, una revisión crítica de estos métodos conduce a formular consideraciones acerca de la incertidumbre en los
resultados de dichas evaluaciones. Esta incertidumbre en muchos casos esta lejos de ser despreciable sin embargo,
frecuentemente, no se encuentran en los reportes de las evaluaciones comentarios acerca de la misma. Un ejemplo típico
de la dispersión del método se muestra en la figura 10, donde se aprecia para un mismo valor del parámetro de
Neubauer, un amplio rango de la fracción de vida consumida para el acero 1Cr-0,5Mo. A juicio de los autores, la
tendencia a no tener en cuenta los factores antes mencionados, se ha visto favorecida por la imperiosa necesidad de
muchas empresas en obtener estimaciones cuantitativas de la vida residual de sus equipamientos. Una posible
alternativa para la solución de esta problemática, involucra la utilización de mas de un método de evaluación lo cual
obviamente, conducirá a un aumento en el costo de la misma. Si se descarta una elevación en el costo, la inclusión de
valores de incertidumbre en las evaluaciones constituye una alternativa razonable.
Referencias
Benvenutti, A., Bontempi, P., Corti, S. and Ricci, N., 1996, “Assessment of Material Thermal History in Elevated
Temperature Components”, Materials Characterization, Vol. 36, pp 271-278.
Bhadeshia, H.K.D.H., Strang,A., Gooch, D.J., 1998, “Ferritic power plant steels: remanent life assessment and approach
to equilibrium”, International Materials Reviews, vol. 43, Nº 2, pp 45-69.
Dobrzanski, J., Hernas, A.,1995, “Correlation between phase composition and life-time of 1Cr-0,5Mo steels during
long-term service at elevated temperatures”, Journal of Materials Processing Technology, 53, pp 101-108.
Dobrzanski, J., Hernas, A., 1996, “Relationship between microstructure and residual life time of low alloy Cr-Mo
steels”, Proceedings of the Six International Conference on Creep and Fatigue.
Neubauer, B., Wedel, U., 1983, “Restlife estimation of creeping components by means of replicas”, in Advances in Life
Prediction Methods, Woodford D.A. and Whitehead J.R., Ed., ASME, pp 307-314.
Parker, J.D., 1996, “Assessment of Remanent Life Using Strain Monitoring Techniques”, Proceedings of Ninth
International Symposium, pp 122-130.
Peddle, B.E., Pickles, C.A., 2001, “Carbide Development in the Heat Affected Zone of Tempered and Post-Weld Heat
Treated 2.25Cr-1Mo Steel Weldments”, Canadian Metallurgical Quarterly, Vol. 40, N°1, pp 105-126.
Toft, L.H., Marsden, L.I.M., 1961, “The structure and properties of 1Cr-0,5Mo steel after service in CEGB power
stations”, Iron and Steel Institute, Nº 70, pp 276-294.
Viswanathan, R., 1988, “Residual Life Techniques for Plant Life Extension”, Materials Sciences Engineering, A 103,
pp 131-139.
Viswanathan R., 1989, “Damage Mechanisms and Life Assessment of High-Temperature Components”, ASM
International.
Woodhead, J.H., Quarrell, A.G.,1965, “Role of carbides in low-alloy creep resisting steels”, Journal of The Iron and
Steel Institute, Vol. 203, pp 605-620.