Mecanismos de daño por sobrecalentamiento en Calderas o generadores de Vapor Autor: Ing. Jorge Arturo Toribio Huerta SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No. 4-A Fracc. Las Vegas II, Boca del Río, Veracruz, México. TEL. +52(229)

2 SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Calderas 1.1Definiciones 1.2Clasificación 1.3 Objetivos 1.4Partes Principales Mecanismos de daño por sobrecalentamiento Comportamiento a elevada temperatura Clasificación Sobrecalentamiento a corto plazo Sobrecalentamiento a largo plazo Degradación microestructural Corrosión a alta temperatura (Oxidación térmica) Creep (Termofluencia) Contenido

1 Calderas 1.1 Definiciones SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Caldera: En términos generales a este equipo se le considera como un productor de vapor. Las calderas son diseñadas para transmitir el calor procedente de una fuente externa a un fluido contenido dentro de la misma, estas se pueden clasificar en dos acuotubulares y pirotubulares. Generador de vapor: Se llama así al conjunto o sistema formado por una caldera y sus accesorios. En la practica se habla de “calderas” refiriéndose a todo el conjunto o “generador de vapor”. Por tal razón, usaremos indistintamente ambos términos.

1 Calderas 1.2 Clasificación SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Acuotubulares o de tubos de agua: El agua circula por dentro de los tubos, captando calor de los gases captando el calor de los gases que pasan por el exterior.

1 Calderas 1.2 Clasificación SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Pirotubulares o de tubos de humo: En estas calderas, los humos pasan dentro de los tubos, cediendo calor al agua que los rodea.

1 Calderas 1.3 Objetivos SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Las calderas o generadores de vapor son dispositivos cuyo objetivo es: 1.- Generar agua caliente para calefacción y uso general. 2.- Generación de vapor para plantas de fuerza.

1 Calderas 1.4 Partes principales SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229)

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento 2.1 Comportamiento a elevada temperatura SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Cuando analizamos el comportamiento a elevada temperatura hemos visto como disminuye la resistencia al aumentar la temperatura. Debido a la movilidad creciente de los átomos los procesos controlados por la difusión tendrán una gran influencia sobre las propiedades mecánica a altas temperaturas. La difusión es el mecanismo por el cual la materia se transporta a través de la materia. Desde una perspectiva atómica, la difusión es la migración de los átomos de un sitio a otro de la red cristalina.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento 2.1 Comportamiento a elevada temperatura SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229)

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento 2.1 Comportamiento a elevada temperatura SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229)

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento 2.1 Comportamiento a elevada temperatura SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Mecanismos de difusión sustitucional por vacancia 2.- Mecanismo intersticial Los átomos pueden moverse en la red cristalina de una posición atómica a otra si tienen suficiente energía de activación procedente de sus vibraciones térmicas y si existen vacantes u otros defectos cristalinos en la red hacia las que los átomos puedan desplazarse. Cuando se aumenta la temperatura del metal, hay más vacantes y más energía térmica disponible y por tanto la velocidad de difusión es superior a temperaturas más elevadas. La difusión intersticial de los átomos en las redes cristalinas tiene lugar cuando los átomos se mueven de un sitio intersticial a otro intersticio vecino sin desplazar de manera permanente a ninguno de los átomos de la red cristalina de la matriz. Para que el mecanismo intersticial sea operativo, el tamaño de los átomos que se difunden debe ser relativamente pequeño comparado con el de los átomos de la matriz.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento 2.1 Comportamiento a elevada temperatura SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) La vida útil según el diseño de cualquier componente o pieza de un equipo puede variar de segundos para unas aplicaciones aeroespaciales, como los motores de cohetes, a 25 o más años para los tubos de los condensadores de una planta de energía. Entre estos dos extremos hay una variedad de requerimientos respecto a la vida útil donde los cambios de los materiales suelen ocurrir entre los diez y quince años de servicio.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento 2.2 Clasificación SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Sobrecalentamiento Corto plazo Largo plazoCorrosión a alta temperatura Degradación microestructural Creep Grafitización Esferoidización

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento 2.3 Sobrecalentamiento a corto plazo SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Se produce rápidamente al excederse la resistencia del mecánica del material que ha sido disminuida por elevada temperatura. Generalmente se producen circunstancias anormales durante un breve periodo de tiempo de las condiciones normales de servicio. Estos eventos generalmente tienen que ver con problemas operativos o de diseño causando un abrupto incremento de la temperatura, ya sea por el del aporte de calor o la disminución del flujo del refrigerante.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento 2.4 Sobrecalentamiento a largo plazo SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Las fallas por sobrecalentamiento a largo plazo resultan de una exposición a temperaturas ligeramente superiores a las indicadas por diseño por tiempos prolongados (en ciertos casos, próximos a su vida útil contemplada). Las roturas provocadas por este tipo de sobrecalentamiento, algunas veces son referidas como fallas por creep (termofluencia); debido a que manifiestan las mismas características de dichas fallas, las cuales se suscitan después de que la tubería ha concluido su vida útil estimada en diseño.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento 2.5 Degradación microestructural SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229)

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento Grafitización SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Descripción del daño a) La grafitización es un cambio en la microestructura de ciertos aceros al carbono y aceros 0.5Mo después de largos periodos de operación en el rango de 800 °F a 1100 °F (427 °C a 593 °C) que puede causar una pérdida de resistencia, ductilidad, y / o resistencia a la fluencia. b) A temperaturas elevadas, las fases de carburo en estos aceros son inestables y pueden descomponerse en nódulos de grafito. Esta descomposición se conoce como grafitización. Materiales afectados Algunos grados de acero al carbono y aceros 0,5Mo. Factores críticos Los factores más importantes que afectan la grafitización son la química, esfuerzos, temperatura y tiempo de exposición.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento Grafitización SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Apariencia o morfología del daño a)El daño debido a la grafitización no es visible o evidente, y solo puede ser observado por examen metalográfico. b)Las etapas avanzadas de daño relacionadas con la pérdida en la resistencia a la fluencia pueden incluir microfisuras, microcavidades, agrietamiento subsuperficial o agrietamiento conectado superficialmente. Mecanismos relacionados La esferoidización y la grafitización son mecanismos que se producen al solaparse rangos de temperatura. La esferoidización tiende a ocurrir por encima de los 1025 °F (551 °C), mientras que la grafitización predomina por debajo de esta temperatura.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento Grafitización SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Típica estructura de ferrita y perlita de aceros al carbón. Fotomicrografía de muestra metalográfica que muestra nódulos de grafito.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento Esferoidización SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Descripción del daño La esferoidización es un cambio en la microestructura de los aceros después de la exposición en el rango de 850 °F a 1400 °F (440 °C a 760 °C), donde las fases de carburo en los aceros al carbono son inestables y pueden aglomerarse de su forma de placa normal a una forma esferoidal, o de carburos pequeños. La esferoidización puede causar una pérdida de resistencia y / o resistencia a la fluencia. Materiales afectados Todos los grados de acero al carbono de uso común y aceros de baja aleación, incluidos C-0.5Mo, 1Cr-0.5Mo, 1.25Cr-0.5Mo, 2.25Cr-1Mo. Factores críticos Los factores más importantes que afectan la grafitización son la química, esfuerzos, temperatura y tiempo de exposición. El rango de Esferoidización depende de la temperatura y la microestructura inicial.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento Esferoidización SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Apariencia o morfología del daño El daño debido a la esferoidización no es visible o evidente, y solo puede ser observado por examen metalográfico. Mecanismos relacionados La esferoidización y la grafitización son mecanismos que se producen al solaparse rangos de temperatura. La esferoidización tiende a ocurrir por encima de los 1025 °F (551 °C), mientras que la grafitización predomina por debajo de esta temperatura.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento Esferoidización SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Típica estructura de ferrita y perlita de aceros al carbón. Fotomicrografía que muestra carburos pesfeoroidizados.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento 2.6 Corrosión a alta temperatura (Oxidación térmica) SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) Un signo de sobrecalentamiento de larga duración puede ser una capa gruesa, frágil y oscura de oxido sobre la superficie interna o externa del tubo. Se da cuando la temperatura del metal sobre pasa cierto valor de temperatura para cada aleación de la cual esta compuesto. Presentándose fisuras, grietas longitudinales o parches de oxido exfoliados producto de la expansión y contracción del tubo causado por la deformación durante el sobrecalentamiento o por esfuerzos térmicos.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento 2.7 Creep (Termofluencia) SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) El proceso de creep representa la deformación plástica del material en función del tiempo, por ello es importante la tasa o velocidad de termofluencia: ( ∆ε / ∆ t) a la que tiene lugar el fenómeno y que es característica de cada etapa. La velocidad de termofluencia es un dato esencial ya que permite inferir el tiempo de rotura del material.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento Evaluación de daños por método de Fotomicrografías SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229) La metalografía es una técnica no destructiva que se le realiza a materiales que se encuentran en servicio, permite evaluar la degradación del material por el fenómeno de fluencia lenta. Los procesos de degradación son: la globulización y la descarburización (perdida de carbono en la superficie del acero) a altas temperaturas bajo la acción de determinadas mezclas gaseosas que reaccionan con el carbono presente en la superficie, ejemplo la microestructura ferrítica sin presencia de perlita.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento Evaluación de daños por método de Fotomicrografías SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229)

Fin SURFACE & DIVING SERVICES Río Gallegos No 4-A Fracc. Las Vegas II Boca del Río, Ver. México TEL. +52(229)