paper t-put fluencia

Artículo publicado en ooiillggaass

Número 509Diciembre 2011

Soldadura de aceros resistentesa la fluencia utilizados en

centrales térmicasJOSÉ M. MIGUEL Y

PERE BASCOGrupo Böhler Soldadura España

JOSÉ MANUEL SIERRACarburos Metálicos

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El desarrollo y producción de con-sumibles de soldadura resisten-tes a la fluencia para la construc-

ción de centrales térmicas ha sido desdehace décadas uno de los objetivos del

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Soldadura de aceros resistentesa la fluencia utilizados encentrales térmicas

JOSÉ M. MIGUEL YPERE BASCO

Grupo BöhlerSoldadura España

JOSÉ MANUEL SIERRA

Carburos Metálicos

TECNOLOGÍA » ACTUALIDAD

Rango de consumibles que ofrece la marca T-PUT, del Böhler Welding Group

ESTÁNDAR INTERNACIONAL PROPIEDADES SERVICIO

MECÁNICAS TÍPICAS

TYPO CRMO ASTM/ASME DIN/VDTÜV EN RP 0.2% MPA RM MPA TEMPERATURE ºC

0.5MO T/P 1 16MO3 8MOB 5-4 >290 >500 <460

1.25CR-0.5MO T/P 11 10CRMO 5-5 10CRMO 5-5 <545

1.00CR-0.5MO T/P 12 13CRMO 4-5 13CRMO 4-5 <545

1.25CR-1MOV 15CRMOV5-10 <545

T/P 36 15NICUMONB5 (WB 36) 15NICUNB 5 <545

2.25CR-1MO T/P 22 10CRMO 9-10 10CRMO 9-10 >310 515-590 <545

2.25CR-1MOV T/P 22V >415 585-760 <545

2.25CR-MOVW T/P 23 HCM 2S 7CRWVMONB 9-6 <545

2.25CR-1MOVTIB T/P 24 7CRMOVTIB 10-10 7CRMOVTIB10-10 <550

5CR-0.5MO T/P 502 12CRMO 19-5 <550

9CR-1MO T/P 9 X12CRMO 9-1 X12CRMO 9-1 <585

9CR-1MO MOD T/P 91 X10CRMOVNB9-1 X10CRMOVNB9-1 >450 630-790 <585

9CR-0.5MOWV T/P 911 X11CRMOVNB9-1-1 X11CRMOWVNB9-1-1 <625

9CR-0.5MOWV T/P 92 X10CRWMONB9-2 <625

12CR-0.25MO + X12CRCOWVNB11-2-2 <650

1.4W1.3CO0.2V (VM 12-SHC) T<10MM

12CR-1MONIV X20CRMOV 12-1 X20CRMOV 11-1 >500 700-850 <585

Tabla 1. Denominación más común de aceros resistentes a la fluencia y temperatura máxima de servicio

TECNOLOGIA ACTUALIDAD_OILGAS 21/12/11 17:29 Página 45

Böhler Welding Group. La tabla 1 mues-tra un resumen de los aceros ferrítico/bai-níticos y martensíticos más utilizados encentrales térmicas funcionando con com-bustibles fósiles. En este artículo, ademásde los aceros resistentes a la fluencia másconvencionales, también se muestran losúltimos desarrollos como el T/P23,T/P24, E911, P92, VM12 y Super 304H.Mediante la utilización de estos aceros seincrementa substancialmente la eficien-cia de las centrales térmicas (lo que con-lleva a una disminución del consumo dematerias primas y una reducción de lasemisiones de CO2).

Böhler Welding Group produce con-sumibles de soldadura aprobados por elVdTÜV para estos aceros resistentes a

Resultados

16 Mo 3 y 13 CrMo 4-5(EN 10028T2)

De este grupo de aceros clásicos re-sistentes a la fluencia, el material 16 Mo3 puede soldarse con procesos de solda-dura convencionales (soldadura por arco)sin ningún problema. El acero de bajaaleación resistente a la fluencia 13 CrMo4-5 es generalmente soldado en condiciónde templado y revenido con precalenta-miento (alrededor de 250ºC). Para liberarlas tensiones residuales y mejorar las pro-piedades de tenacidad del depósito desoldadura, las uniones deben someterse aun tratamiento térmico de liberación detensiones posteriormente al proceso desoldeo.

15 NiCuMoNb 5-6-4 (WB 36) y20 MnMoNi 5-5

Para componentes de centrales degeneración de energía (incluyendo lascentrales nucleares) así como en reac-tores químicos con temperaturas de tra-bajo por encima de 350ºC, los aceros degrano fino y alta resistencia que inclu-yen los elementos de aleación Ni-Mo yNi-Cu-Mo se han utilizado exitosamentedurante muchos años. El material WB36, en particular, ha ganado importan-cia a nivel mundial, especialmente encentrales térmicas, como resultado de laestandarización en el código ASME. El20 MnMoNi 5-5 fue inicialmente desa-


altas temperatura y a la fluencia, some-tidos a temperaturas por encima de los450ºC (tabla 2). La figura 1 muestra unhydrocracker de material base 2,25%Cr-1%Mo de 358 mm de espesor soldadocon arco sumergido (combinación hilo T-PUT S1CrMo y Flux T-PUT UV420TTR) y electrodo T-PUT PhoenixSH Cromo 2KS.

Aparte de una composición químicaoptimizada, las propiedades de los consu-mibles de soldadura aplicados deben coin-cidir con las del material base. La figura2 muestra la resistencia a la fluencia de di-ferentes aceros utilizados para estas apli-caciones. Las características principalesde los consumibles de soldadura se deta-llan brevemente a continuación.


Fig. 1. Recipiente a presión de gran espesor, parte de un hydrocracker, construido por ATB (Italia)

MAT. BASE SMAW T-PUT GTAW T-PUT SAW T-PUT (HILO+FLUX)

16MO3 PHOENIX SH SCHWARZ 3K UNION I MO UNION S2MO+UV 420TT

13CRMO4-5 PHOENIX CROMO I UNION I CRMO UNION S2CRMO+UV 420TT

15CRMOV5-10 PHOENIX SH KUPFER 3K - -

WB36 PHOENIX SH SCHWARZ 3KNI UNION I MO UNION S3NIMO1+UV 420TT(R)

20MNMONI5-5 PHOENIX SH SCHWARZ 3KNI UNION I MO UNION S3NIMO1+UV 420TT(R)

10CRMO9-10 PHOENIX SH CROMO 2 KS UNION I CRMO 9-10 UNION S1CRMO2+UV 420TT(R)

T/P23 THERMANIT P23 UNION I P23 UNION SP23+UV430TTR-W

T/P24 THERMANIT P24 UNION I P24 UNION SP24-+UV430TTR-W

X20CRMOV11-1 THERMANIT MTS 4 THERMANIT MTS 4 SI THERMANIT MTS4+MARATHON 543

P91 THERMANIT CHROMO 9V THERMANIT MTS 3 THERMANIT MTS3+MARATHON 543

P911 THERMANIT MTS 911 THERMANIT MTS 911 THERMANIT MTS911+MARATHON 543

P92 THERMANIT MTS 616 THERMANIT MTS 616 THERMANIT MTS616+MARATHON 543

X12CRCOWVNB11-2-2 THERMANIT MTS 5COT THERMANIT MTS 5 COT THERMANIT MTS5COT+MARATHON 543

SUPER 304H THERMANIT 304H CU THERMANIT 304H CU

Tabla 2. Consumibles de soldadura T-PUT apropiados


rrollado para recipientes a presión decentrales nucleares.

Las exigencias planteadas a estos ma-teriales en cuestiones de resistencia sonenormes al igual que las que se piden a lasuniones soldadas. Hay que indicar queeste tipo de uniones soldadas precisan untratamiento térmico posterior (PWHT),p.ej. un termotratamiento antitensiones.Este requisito no ha sido tenido en cuentaen la norma EN 499.

15 CrMoV5-10 /GS-17 CrMoV 5-11

En las centrales de generación deenergía de Alemania Oriental, para lastuberías sometidas a altas temperaturasse aplicaba el estándar ruso. El acero15 CrMoV 5-10 se utilizaba en tube-rías de vapor vivo. Este es un acero mo-dificado para conducciones y tuberíascomparable al acero GS-17CrMoV5-11 que se ha utilizado ampliamente enAlemania para carcasas de turbinas yracores para temperaturas de trabajo dehasta 550ºC. Los consumibles de solda-dura equivalentes para GS-17CrMoV5-11 están también aprobados para con-ducciones y tuberías 15 CrMoV 5-11. Lasoldadura se realiza mediante un preca-lentamiento a 200ºC, con una tempera-tura entre pasadas de 250ºC-300ºC. Eltratamiento térmico post-soldeo se rea-liza a 710-740ºC, con una duración demantenimiento a temperatura de 3


min/mm. En el caso de piezas molde-adas y espesores por encima de 45 mm,el tratamiento térmico fuera de la sol-dadura es obligatorio.

10 CrMo 9-10; ASTM A 387,Gr.22, Cl.2

Este acero, al igual que el 13 CrMo4-5 y el 15 CrMoV 5-10, se comercia-liza en estado de recocido y tambiénenfriado al aire, lo que ha de tenerseen consideración durante su soldadura.En la zona afectada térmicamente(HAZ) del material base, así como enel depósito, pueden existir zonas durasy frágiles, debido a la formación demartensita, lo que promueve la forma-ción de grietas. Por lo tanto, es necesa-rio un precalentamiento a 150ºC-200ºCy se ha de mantener una temperaturaentre pasadas de 250ºC-300ºC. Poste-riormente se ha de realizar un trata-miento a 690ºC-730ºC. Los valores deresistencia a la fluencia de los consumi-bles de soldadura T-PUT Phoenix SHCromo 2 KS, T-PUT Union I CrMo 9-10 y T-PUT Union SI CrMo 2/UV 420TTR superan los ensayos a 30000h.Por lo tanto, con estos consumibles esposible reducir los coeficientes de segu-ridad (coeficiente de seguridad con res-pecto al valor característico del materialbase de 1.0 en el caso de SAW –arco su-mergido– y 0.8 para el caso de SMAW–electrodo– y GTAW –varilla TIG–).


Nuevos tipos de acerosHCM2S(T/P23) y7 CrMoVTiB 10-10 (T/P24)

Para aumentar el rendimiento energé-tico se requiere trabajar a temperaturas ypresiones superiores. Los aceros típicos16 Mo 3 y 13 CrMo 4-5 no cumplen losrequerimientos necesarios de resistencia ala fluencia y estabilidad de las propiedadesa temperaturas de diseño suficientementeelevadas. Por ello, se han desarrollado ycualificado para tuberías los materialesbase HCM2S (T23) y 7 CrMoVTiB 10-10(T24). Además de la utilización en tubosde caldera de paredes finas, estos acerospueden también aplicarse en componentesde grosor superior.

La temperatura de trabajo de estos ace-ros al 2 1/4Cr debe limitarse a un máximode 570ºC, ya que a partir de esta tempera-tura, existe una importante oxidación.

La figura 3 explica los beneficios eco-nómicos cuando se utilizan estos nuevosaceros bainíticos con un ejemplo en unapieza en forma de T. La ventaja de estosdos aceros es el bajo endurecimiento de lazona afectada térmicamente después dela soldadura (dureza máxima 350 HV).Se requiere consumibles de composicióny propiedades similares al metal base parasoldar estos aceros, teniendo en cuenta losrequerimientos de valores de tenacidad enel depósito de soldadura en condiciones sintratamiento térmico post-soldadura(PWHT). La soldadura mediante TIG deespesores por debajo de 10 mm no re-quiere post tratamiento térmico.

Los componentes de espesores eleva-dos requieren, en general, tratamientostérmicos posteriores al soldeo, especial-mente para SMAW y SAW. Este trata-miento se realizará entre 740ºC-750ºC. Eltiempo del tratamiento dependerá del es-pesor de pared y el proceso de soldadura.La figura 4 muestra el ciclo térmico reco-mendado durante la soldadura y el trata-miento post-soldeo final de estos dos ace-ros.

El tratamiento post-soldeo debe seradaptado cuidadosamente a las circuns-tancias, ya que los aceros T/P23 son muysensibles al stress relief cracking (en cas-tellano, liberación de tensiones por agrie-tamiento). La posible formación de mar-tensita en componentes delgados

Fig. 2. Resistencia a la fluencia de diferentes aceros para su utilización en centrales térmicas


Aceros martensíticos X20CrMoV11-1; X10CrMoVNb9-1 (P91);X11CrMoWVNb9-1-1 (E911) andX10CrWMoVNb 9-2 (P92)

Los aceros martensíticos se utilizanen conductos de vapor vivo y superca-lentadores, así como en colectores. Elacero X20CrMoV 12-1 se utilizó enAlemania y Europa entre 1960 y 1990.A partir de 1990, este acero se susti-tuyó por el acero 9%Cr P91. Debido albajo contenido en carbono en compara-ción al X20CrMoV11-1, los aceros 9%en cromo P91, E911 y P92 ofrecenventajas durante el proceso de solda-dura, ya que la máxima dureza del de-pósito sin tratamiento térmico posteriores aproximadamente 200 HV10 infe-rior (450HV10 frente a 650HV10). Elde vital importancia para la tenacidady resistencia mecánica, no solamenteunos parámetros de soldadura apropia-dos, sino unas condiciones de trata-miento post-soldadura idóneas. Deforma general, el incremento de lastemperaturas de tratamiento y tiemposde mantenimiento dan lugar a valoresde tenacidad superiores y durezas másbajas (figura 5).

La figura 6 muestra el ciclo tér-mico adecuado durante el proceso desoldadura y el consiguiente post-tra-tamiento térmico para los aceros 9%Crtales como el P91, E911 y P92. La tem-peratura recomendada de post-trata-miento de 760ºC no debe excedersesignificativamente, ya que conllevaríaal incremento del riesgo de formaciónde austenita, que transformará poste-riormente a martensita no revenida du-rante su enfriamiento.

Los contenidos de C, V, Nb, Mn yNi de los consumibles de soldadura paraP91, E911 y P92 son de especial im-portancia para obtener una resistencia ala fluencia adecuada. El contenido de Cdebe mantenerse como mínimo en0.08% para el metal depositado. Cuandose utiliza el proceso de arco sumergido,se debe poner especial atención a la óp-tima selección del flux, ya que la mayo-ría de los fluxes tienden a eliminar car-bono. Para los aceros martensíticos estádisponible el flux Marathon 543 quecompensa la pérdida de carbono.



Fig. 3. Comparación de los espesores de piezas en T en aceros P22, P23, P24 y P91 de acuerdo con los cálculossegún EN 13480-3

Fig. 4. Diagrama esquemático del ciclo térmico durante la soldadura y post tratamiento térmico de T/P23 y T/P24

Fig. 5. Influencia de las condiciones de post tratamiento térmico sobre la tenacidad del metal de soldadura P91(consumible T-PUT Thermanit Chromo 9V)

realizados con este material debe te-nerse en cuenta para evitar posibles fa-llos por generación de grietas. Los com-ponentes más gruesos, especialmente

realizados en P23, requieren un trata-miento intermedio de liberación de ten-siones a 500-550ºC, antes de alcanzarla temperatura de revenido.


Otras restricciones en el análisis quí-mico son las siguientes: V=min 0.18%;Nb: min 0.040%; Mn+Ni menor o iguala 1.5%.

Los límites de V y Nb son importan-tes en combinación con min. 0.08% Cy min. 0.03% N, para así formar carbo-nitruros suficientemente estables, lo queasegura la resistencia a la fluencia.

Además, es importante también elcontenido de Mn y Ni. Este valor nodebe exceder 1.5%, ya que podría pro-ducirse una transformación a austenitaen el rango de temperatura del trata-miento post soldeo de 760ºC.

Los resultados de resistencia a lafluencia de los consumibles T-PUT paralos depósitos de P91 a 600ºC con unaduración de ensayo superior a 30000 hmuestran que los consumibles satisfacentodos los requisitos impuestos.

El nuevo acero martensítico al12% de cromo-VM12-SHC(X12CrCoWVNb 11-2-2)

Los materiales base anteriormentedescritos E911 y P92 se utilizan hasta unmáximo de 620ºC. Por encima de estatemperatura, no poseen una resistenciaa la oxidación-corrosión adecuada. Paraevitar este problema, se requieren ma-teriales con un contenido de cromo su-perior. En el programa de investigaciónEuropeo “COST 536”, se optimizó ycualificó hasta un máximo de 650ºC elacero al 12% en cromo (VM 12) des-arrollado por Vallourec & Mannesmann.T-PUT estuvo involucrado también en

cromo. Este elemento (cromo) contri-buye a la formación de ferrita, así quedebe estar balanceado por un elementoformador de austenita. Es por ello quese utiliza Cobalto, ya que este elementono tiene influencia sobre el punto Aus-tenite Start (comparado con el níquel).

Nuevo acero austenítico resistentea la fluencia – Super 304 H(18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N; ASMECC2328)

Las centrales eléctricas con pará-metros de trabajo supercríticos (presióny temperatura) necesitan, para los tubosde los sobrecalentadores, nuevos ma-teriales de alta resistencia a la fluenciay mejor resistencia a la corrosión que losaceros martensíticos con 12% Cromo.Uno de los nuevos aceros austeníticosdesarrollados para aplicaciones hasta650ºC es el Super 304H. Este acero estáutilizado en las nuevas plantas de gene-ración energética (hay otros aceros aus-teníticos como el HR 33, DMW 310 N,347 HFG, que no se discuten en esteartículo).

Los consumibles para el acero Super304 H se han desarrollado para proce-sos GTAW y SMAW, bajo el nombre T-PUT Thermanit 304 H Cu.

Agradecimientos

José M. Miguel agradece personal-mente el esfuerzo y dedicación a la em-presa de Lorenzo Treserras, así como lossabios consejos de Noelia García en lasoldadura de aleaciones complejas. •


este proyecto y desarrolló los consumi-bles de soldadura Thermanit MTS 5CoT.

Los depósitos obtenidos tienen me-nores valores de tenacidad que los co-rrespondientes del P91, P911 y P92 yson comparables a aquellos delX20CrMoV 11-1.

Sin embargo, para obtener el nivel detenacidad es suficiente para cumplir conel mínimo requerido > 27J se requie-ren unos parámetros del proceso de sol-dadura especiales (bajo aporte calórico,correcta selección del diámetro de elec-trodo, temperatura entre pasadas, etc). Eltratamiento térmico post soldadura se re-aliza a 770ºC ya que no se puede garan-tizar un valor de tenacidad adecuado a760ºC. La temperatura de AusteniteStart del consumible de soldadura ymetal base es de 800ºC.

Comparado con el P92, esta nuevaaleación contiene mayores contenidos de


Fig. 6. Ciclo térmico en el proceso de soldadura y post tratamiento térmico del acero martensítico P91, E911 y P92

Referencias[1] Hahn B; Vandenberghe B, Vaillant J.C, Bendick.W: The WB 36 Book,2002; Vallourec&Mannesmann Tubes.[2] Arman K, Vaillant J.C, Vanderberghe B, Bendick W, Arbab A: TheT91/P91 Book, 2002, Vallourec&Mannesmann Tubes.[3] Richardot D, Vaillant JC, Arab A, Bendick W, The T92/P92 Book, 2000,Vallourec&Mannesmann Tubes.[4] Adam W, Bendick W, Hahn B, Heuser H, Welding of dissimilar jointsof new power plant steels; EPRI-Conference; October 3-5, 2007; SanMarco Island, Florida, USA.`[5] Adam W, Heuser J, Jochum C, Neuartige Schweisszusätze für bai-nitische and martensitische Stähle; DVS Bericht 237.


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