Fretting Corr

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COMISION NACIONAL DE ENERGIA ATOMICA UNIVERSIDAD NACIONAL DE GENERAL SAN MARTÍN INSTITUTO DE TECNOLOGÍA "PROF. JORGE SABATO" DEGRADACIÓN DE MATERIALES I TRABAJO DE SEMINARIO "FRETTING CORROSION" EN CENTRALES NUCLEARES Resumen Se reseñan las características del Fretting Corrosion en las Centrales Nucleares considerándolo como un fenómeno que se origina en las vibraciones inducida por el flujo del refrigerante, y se proponen soluciones desde el punto de vista del diseño. Además se enfatiza la importancia de los ensayos para conocer esas mismas características, conjuntamente con los métodos computacionales. A partir de la información colectada experimentalmente se sugieren otras posibles soluciones. 2002 Nicolás Vives Díaz

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COMISION NACIONAL DE ENERGIA ATOMICAUNIVERSIDAD NACIONAL DE GENERAL SAN MARTÍNINSTITUTO DE TECNOLOGÍA "PROF. JORGE SABATO"

DEGRADACIÓN DE MATERIALES I

TRABAJO DE SEMINARIO

"FRETTING CORROSION" EN CENTRALES NUCLEARES

Resumen

Se reseñan las características del Fretting Corrosion en las Centrales Nuclearesconsiderándolo como un fenómeno que se origina en las vibraciones inducida por elflujo del refrigerante, y se proponen soluciones desde el punto de vista del diseño.Además se enfatiza la importancia de los ensayos para conocer esas mismascaracterísticas, conjuntamente con los métodos computacionales. A partir de lainformación colectada experimentalmente se sugieren otras posibles soluciones.

2002

Nicolás Vives Díaz

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1. Introducción

De acuerdo a la literatura [1], puede definirse al fretting corrosion como unacombinación de procesos de desgaste y corrosión en la cual ocurre la remoción de materialde las superficies de contacto involucradas cuando el movimiento entre dichas superficiesse encuentra restringido a amplitudes pequeñísimas (tan bajas como 3 o 4 nm). Unelemento común en el fenómeno de fretting es la oxidación. En sistemas oxidantes, laspartículas finas de metal que se remueven por el desgaste adhesivo se oxidan y quedanatrapadas entre las superficies en contacto. Los óxidos así formados actúan como agentesabrasivos e incrementan la cantidad de material removido.

La terminología empleada respecto al fretting corrosion no es del todo clara; semenciona con otros nombres al mismo fenómeno, o incluso se aplica el término frettingcorrosion a fenómenos donde no hay reacciones químicas involucradas. Algunos autores[2] informan sobre algunas sugerencias hechas para reservar el término fretting al procesode desgaste y fretting corrosion para aplicarse cuando se presenta la oxidación de alguna delas superficies o de las partículas metálicas que forman la viruta provocada por el desgaste.En lo que concierne al área nuclear, se habla indistintamente de fretting al referirse a ambosfenómenos, y se le da más importancia al desgaste en sí de las superficies que a la presenciao no de óxidos.

En la industria nuclear es crucial la confianza en los componentes utilizados para laoperación de las distintas plantas nucleoeléctricas. Las fallas que pudieran surgir en estoscomponentes implican problemas de seguridad y baja en la producción. Es por ello quetodo lo que tienda a minimizar estas posibles fallas redundará en un beneficio para lascentrales.

Una de las fuentes de fallas es el fretting corrosion. Este proceso, junto con otroscomo el de fatiga, las dificultades operacionales y el ruido acústico, tiene su principal causaen las vibraciones inducidas por el pasaje de fluidos. La pérdida de material debido alfretting puede llevar, eventualmente, a la perforación de los componentes y a suconsecuente inutilización.

Los componentes nucleares están sujetos, muy frecuentemente, a altas velocidades deflujo con el fin de aumentar la transferencia térmica o reducir el tamaño del componente.De la misma forma, a veces resulta conveniente minimizar los soportes estructurales parareducir las caídas de presión o mejorar el rendimiento de los neutrones. La combinación deuna alta velocidad de flujo y la reducción en los soportes estructurales puede dar lugar auna excesiva vibración inducida por el flujo.

Por ejemplo, en la Figura 1 se aprecia el daño producido en un tubo por frettingcorrosion entre el tubo y su soporte. Esta falla ocurrió en un generador de vapor de unaplanta nuclear de primera generación. Los tubos en la región U del generador vibraban consuficiente amplitud como para causar semejante deterioro. El problema se atribuyó a uninadecuado soporte combinado con altas velocidades de flujo transversal bifásico. Laprimera falla ocurrió en 1971 y la segunda en 1977, más de 10 años después del inicio deoperaciones de la planta. Esto demuestra que el fretting puede ser un mecanismo lento perocontinuo de desgaste.

Otro inconveniente provocado por fretting corrosion ocurrió en la planta nuclear deDarlington [3], en Canadá, y se descubrió en 1990 durante el recambio de elementoscombustibles. La investigación que se llevó a cabo determinó que la causa de la falla podría

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atribuirse a fluctuaciones acústicas. En la misma investigación se comprobó que, en laregión de entrada del fluido, el tubo de presión y los soportes de las pastillas decombustible sufrieron un nivel altísimo de daño por fretting.

La Figura 2 es otro ejemplo de fretting entre un tubo y su soporte. La falla tuvo lugaren la región de entrada del fluido de un intercambiador de calor. Obviamente, los soportesde los tubos fueron ineficaces para las altas velocidades de flujo presentes en dicha región.

Aunque muchos de los problemas vibracionales tienen consecuencias muy costosas,pueden resolverse mediante simples modificaciones en la etapa de diseño o cambios en lascondiciones operacionales. Para llevarlas a la práctica es imprescindible comprender elfenómeno de las vibraciones inducidas por el flujo.

2. Estudio de los Problemas Vibracionales que se presentan en las CentralesNucleares

En las plantas nucleares pueden darse muchas clases de flujos diferentes, que estándeterminados por el tipo de reactor. Esto puede ilustrarse por medio de algunos ejemplos.En los reactores de agua presurizada (PWR) y en los primeros reactores CANDU (Canadádeuterium uranium) el flujo permanece líquido alrededor de los tubos de combustible. Enlos reactores de agua en ebullición (BWR) y la siguiente generación de CANDU se permiteque el líquido refrigerante entre en ebullición, y por lo tanto se somete a los elementoscombustibles y a las salidas de las tuberías a un flujo de dos fases. En los reactores

Figura 2. Falla de untubo intercambiadorde calor en laposición del soportedebido al fretting

Figura 1. Daño porfretting en un generadorde vapor de una antiguaplanta nuclear.

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avanzados refrigerados por CO2 presurizado (AGR) [4] el flujo de gas produce frettingentre los elementos combustibles y sus soportes.

El primer paso en comprender las vibraciones inducidas por flujo es conocer lascondiciones del flujo. Cuando se conoce la trayectoria del fluido esto no presentainconvenientes. Pero la geometría de muchos de los componentes de la industria nuclear escomplicada. Se necesita un conocimiento detallado de las condiciones locales de flujo parael análisis de las vibraciones ya que la mayoría de los problemas suceden en regiones dondeel fluido se desplaza a altas velocidades. Ejemplos de dichas regiones son los componentesde salida y entrada de fluido, haces de tubos en intercambiadores de calor y la región en Ude los generadores de vapor.

El procedimiento generalizado para efectuar este análisis es el uso de métodoscomputacionales que modelan el comportamiento termo-hidráulico de los componentesnucleares y permiten obtener información detallada sobre el flujo en geometrías complejas.Entre los códigos utilizados pueden mencionarse [5] el THIRST, para analizar generadoresde vapor y el STEFAN, que realiza cálculos de flujo en dos dimensiones.

En cuanto a los tipos de mecanismos de vibración inducidos por el flujo seencuentran cuatro, los cuales son: inestabilidad fluidoelástica, derrame periódico,excitación inducida por turbulencia y resonancia acústica.

La inestabilidad fluidoelástica resulta del acoplamiento entre las fuerzas dinámicasinducidas por los fluidos y el movimiento de las estructuras. Dicha inestabilidad se presentacuando la velocidad del fluido es lo suficientemente rápida como para que la energíaabsorbida por las estructuras de las fuerzas del fluido exceda a la energía disipada poramortiguamiento. En general, lleva aparejada una excesiva amplitud en las vibraciones.

La inestabilidad fluidoelástica no es un inconveniente cuando el flujo es axial, sinembargo es el mecanismo de excitación de vibraciones más importante para haces de tubosen flujo transversal.

El derrame periódico se presenta en estructuras sujetas a flujo transversal y generafuerzas de fluido periódicas. Si la frecuencia coincide con una de las frecuencias naturalesde la estructura puede ocurrir resonancia.

El fluido puede transformarse localmente en turbulento a medida que fluye alrededordel componente de interés. Esto es lo que se llama “excitación de campo cercano”. De lamisma forma, se puede tener “excitación de campo lejano” debida a componentes que seencuentran corriente arriba. La excitación inducida por turbulencia causa fluctuacionesaleatorias de la presión alrededor de la superficie del componente, forzándolo a vibrar. Es elmecanismo principal de excitación en flujo axial, aunque también es importante en flujotransversal.

Mientras que la inestabilidad fluidoelástica y el derrame periódico pueden dar lugar afallas en un corto lapso, la excitación por turbulencia puede inducir una respuesta tal quesea suficiente para causar un daño por fretting, pero a largo plazo.

Es posible que en haces de tubos sujetos a un flujo gaseoso transversal sucedaresonancia acústica. Esta se presenta cuando la frecuencia de derrame coincide con lafrecuencia natural de la cavidad acústica formada por las estructuras que rodean el haz detubos.

De la misma forma que es vital conocer los mecanismos de excitación de lasvibraciones, también es importante comprender los mecanismos de amortiguamiento o dedisipación de energía. Sin embargo, la industria nuclear no ha encarado el estudio de estosfenómenos sino bastante después de abocarse a los mecanismos de excitación de

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vibraciones. En particular, la disipación de energía no es sencilla de estudiar, losmecanismos son múltiples y se presentan efectos no lineales.

Hay varios posibles mecanismos de disipación de energía que pueden contribuir alamortiguamiento de las vibraciones en los componentes nucleares: amortiguamientointerno o material, amortiguamiento viscoso entre la estructura y el fluido, amortiguamientopor restricción del film líquido entre la estructura y sus soportes, amortiguamientodependiente del flujo alrededor de la estructura, amortiguamiento debido a flujo interno,fricción entre la estructura y sus soportes, disipación de energía por impacto de la estructuracon sus soportes y las ondas viajeras resultantes de ello, y amortiguamiento debido a lapresencia de dos fases en el flujo.

Sería prolijo reseñarlos a todos, pero podemos mencionar el caso de losintercambiadores de calor gaseosos. El principal mecanismo de disipación es la fricciónentre los tubos y sus soportes. El amortiguamiento está más relacionado con el espesor delos soportes que con el diámetro de la luz entre el tubo y el soporte.

Para evitar, o disminuir al mínimo posible, los problemas de vibraciones inducidaspor el flujo se recurre al análisis de los componentes nucleares. Pettigrew y col. [5]ejemplifican este método de análisis para generadores de vapor e intercambiadores de calorde centrales nucleares. Usualmente, estos análisis consisten en los siguientes pasos: (1)cálculos de flujo, (2) formulación de las fuerzas de excitación inducidas por flujo, (3)definición de los parámetros dinámicos (rigidez, módulo de flexión, masa, incluyendo lamasa hidrodinámica y el amortiguamiento), (4) cálculo de las frecuencias naturales ymodos de vibración, (5) predicción de la respuesta a las vibraciones y de las velocidadescríticas para la inestabilidad fluidoelástica, (6) valoración de los daños por fatiga o fretting,y (7) conformidad o modificación del diseño, si fuera necesario.

Los mismos autores informan que, hasta el momento, cientos de intercambiadores decalor han operado por más de una década en plantas del tipo CANDU sin experimentarproblemas asociados con vibraciones. Según estiman, eso se debe a haber seguido las líneasde análisis antes mencionadas. Por otro lado, las fallas reportadas que se debieron aproblemas de vibración pueden atribuirse a un desvío de las líneas de diseño recomendadas.

Desafortunadamente, las vibraciones inducidas por el flujo no pueden eliminarsecompletamente; siempre existirán vibraciones debidas a turbulencias. Entonces, los puntosrelevantes del problema se reducen a saber cuánto puede durar la vida útil de un material ocuánta vibración puede tolerarse sin daño excesivo. El camino que se sigue en la industrianuclear es establecer predicciones sobre el daño por fretting a través de experimentos ysimulaciones.

De todos los posibles componentes nucleares que son susceptibles al frettingcorrosion, los que comúnmente fallan por este fenómeno son los generadores de vapor y losintercambiadores de calor. En estos casos siempre existe una luz entre los tubos y sussoportes para permitir tolerancias dimensionales y tener en cuenta posibles expansionestérmicas. Si la luz es muy grande o el área de contacto es muy pequeña, las cargas deimpacto entre el tubo y sus soportes resultará excesiva y entonces podrá ocurrir daño alargo plazo por fretting. No obstante, el fretting puede presentarse en otros componentes,como ya hemos mencionado. En el caso de los intercambiadores de calor el daño porfretting resulta del impacto y el desgaste entre los tubos y sus respectivos soportes, o entretubos adyacentes. Para predecir el daño por fretting se requiere una comprensión de lasinteracciones dinámicas entre el tubo y su soporte, correlaciones experimentales de daño

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por fretting bajo determinadas combinaciones de materiales y ambiente, y una formulaciónrealista de los mecanismos del fretting.

Para predecir las interacciones dinámicas entre el tubo y sus soportes se utilizantécnicas analíticas. Uno de los códigos más utilizados en este tipo de investigaciones es elcódigo VIBIC (VIbration of Beam with Intermittent Contacts), el cual se desarrolló parasimular el movimiento de un tubo que impacta contra sus soportes y para predecir losdesplazamientos y las fuerzas de impacto, teniendo en cuenta los efectos no linealesdebidos a la luz entre los tubos y sus soportes. Rogers y Pick [6] compararon resultadosempíricos obtenidos por medio de un arreglo experimental que reproducía las interaccionesentre un tubo de intercambiador de calor y su soporte con los resultados de la simulaciónpor VIBIC, llegando a la conclusión que la técnica analítica es lo suficientemente precisacomo para predecir la respuesta dinámica del sistema tubo-soporte. Por su parte, Yetisir yWeaver [7], en un estudio sobre la dinámica de intercambiadores de calor, llevaron adelanteun análisis teórico levemente diferente, pero llegaron a la misma conclusión; la respuestapredicha por el análisis es similar a la observada en los estudios experimentales previos.

El código es, esencialmente, una simulación numérica por elementos finitos de lasinteracciones tubo-soporte. La ecuación de movimiento corresponde a un sistemaamortiguado con excitación externa; escrita en forma matricial es:

[ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } ( ){ }tFukucuM =++

donde [M] es la matriz de masa, que incluye términos asociados con la inercia de rotación,[k] es la matriz de rigidez, que incluye deformaciones por corte, [c] es la matriz deamortiguamiento, {u} es la matriz columna que representa todos los posible movimientos yrotaciones, y {F(t)} representa las funciones excitatrices conocidas.

Es usual que se contrasten los resultados obtenidos a partir de la simulación con losresultados experimentales. Los dispositivos experimentales no han dejado de usarse, puesademás de brindar información sobre las interacciones entre el tubo y su soporte permiten

Figura 3.Plataforma de

ensayos de frettingcorrosion. De

izquierda aderecha: (a)

Esquema; (b)Fotografía de una

plataforma

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observar los efectos físicos del fretting sobre los componentes, sin necesidad de analizar untubo que se encuentre en operación, con todos los riesgos que esto implica. Los dispositivossuelen denominarse como “plataforma de ensayo”. Estas plataformas consisten en unaestructura o marco que sostiene un tubo vinculado desde el extremo inferior, el cual sesomete a vibraciones contra un soporte, Figura 3. Algunas plataformas están dentro deautoclaves para poder operar a altas temperaturas en atmósferas controladas, mientras queotras están abiertas a la atmósfera para operar a temperatura ambiente. Se usan paraensayos en aire o en agua. Se monitorean la amplitud de las vibraciones, la frecuencia y lasfuerzas de impacto. El daño por fretting se calcula a través de la pérdida de peso o pormedidas de espesor de tubo.

3. Características del Fretting Corrosion. Resultados Experimentales dedistintos Ensayos.

La importancia de las mediciones experimentales como método de estudio ycaracterización del fenómeno de fretting está fuera de discusión. Puede mencionarse, comoun ejemplo, el proyecto que financió la Comisión Regulatoria Nuclear de los EstadosUnidos [8] para estudiar el problema de fretting en los generadores de vapor. El propósitoera contar con criterios suficientes como para evaluar la concesión de licencias específicaspara la limpieza química de los generadores de vapor. Este estudio constaba de dos etapas,la primera se centraba en caracterizar las vibraciones que sufría un tubo como los utilizadosen los generadores de vapor, mientras que la segunda fase estaba dedicada a determinar eldaño potencial que podía sufrir el tubo debido a esta vibraciones inducidas por el flujo.

A partir de las plataformas de ensayo y de las técnicas de simulación es que seacumularon bastantes datos experimentales que dan cuenta de la ocurrencia del frettingcorrosion en situaciones y condiciones muy distintas entre sí. Del análisis de esos datossurgen consideraciones muy útiles a la hora de minimizar el daño causado por el fretting.Lamentablemente mucha de esta información es propietaria, lo que significa que no ha sidopublicada y está reservada a las empresas que financiaron las investigaciones.

A través de distintos ensayos se llegaron a determinar los factores que con certezainfluyen en el fretting corrosion, y los cuales son [1, 9]:

• Amplitud: aparentemente no se ha medido un umbral de amplitud por debajo delcual no se presente el fretting. No obstante, se ha encontrado evidencia que la tasade desgaste aumenta hasta alcanzar un valor constante a una amplitud dealrededor de 100 µm. Más allá de ese valor el desgaste es el que se esperaría enun deslizamiento unidireccional. En los casos de microdeslizamiento, donde sóloparte de las superficies de contacto experimentan un deslizamiento relativo, elproceso puede describirse como fretting propiamente dicho.

• Carga de Contacto: como el área real de contacto es proporcional a la carga, eldesgaste se incrementa linealmente con el aumento de la carga. Sin embargo, enuna situación donde la causa del incremento del fretting sea la ocurrencia demicrodeslizamiento, la carga aumenta el área de no deslizamiento y reduce el áreasobre la que ocurre el deslizamiento, produciendo una disminución del áreadañada pero incrementando las posibilidades de falla por fatiga.

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• Frecuencia: no se encuentran efectos de la frecuencia cuando el fretting se midecomo volumen de material removido por unidad de longitud de deslizamiento.

• Velocidad de Deslizamiento: dicha velocidad es baja, por ejemplo de 2 mm/s parauna amplitud de 20µm y una frecuencia de 50 Hz.

• Humedad Relativa: para materiales que se oxidan en aire, el daño por fretting esmenor en aire seco que en aire saturado; esto se debe a que la viruta metálicapermanece entre las superficies deslizantes en aire seco, reduciendo el contactoentre ellas, y, por ende, el fretting. Mientras que en aire húmedo las partículaspueden moverse y separarse de la superficie, permitiendo que continúe el contactoentre los metales.

• Temperatura: su efecto depende de las características de la oxidación de losmetales. Si el aumento de temperatura favorece la formación de una capaprotectora de óxidos que prevenga el contacto entre metales la tasa de desgasteserá menor. La fricción asociada con el fretting siempre lleva aparejado unaumento local de la temperatura.

De la misma manera, las distintas observaciones efectuadas en experimentos [10]llevan a distinguir tres etapas en el mecanismo de fretting:

1. Un estado inicial, durante el cual la capa protectora de óxido de las superficiesde contacto se rompe, permitiendo la adhesión de las superficies metálicas y latransferencia de partículas metálicas.

2. La etapa de generación de viruta, en la que se forma una capa de óxido quetiende a reducir el contacto entre las superficies. Este óxido puede producirsea partir de las superficies de contacto, en cada medio ciclo de la vibración opor la oxidación de las partículas metálicas removidas de las superficies, o poruna combinación de ambos mecanismos.

3. Un estado estacionario en el cual las superficies de contacto y el óxidoformado se desintegran y se dispersan, lo que resulta en una tasa constante deremoción de material. Algunos autores sugieren que el mecanismo deseparación de partículas no es por abrasión, sino por fatiga.

El estudio de los componentes dañados utilizados en las plataformas de ensayo revelalos mecanismos de desgaste que tienen lugar en las superficies de contacto tubo-soporte.Ko y Basista [11] estudiaron los efectos que tienen los distintos tipos de movimiento deltubo respecto al soporte en el daño superficial. Con algunas excepciones, encontraron quecada tipo de movimiento del tubo resulta en una superficie de desgaste que es característicade ese movimiento. Los sitios de contacto en un movimiento de impacto se concentran endos áreas pequeñas en lados opuestos del soporte. Puede deducirse que la secuencia deimpacto consiste en un contacto inicial y un rebote seguidos por una rápida sucesión degolpes secos normales a la superficie del soporte. Bajo estas condiciones el daño aparececomo hoyos o picaduras circulares poco profundos en una matriz lisa y brillante sobre lasuperficie desgastada, como se ve en la Figura 4(a). Si durante el impacto existe unacomponente tangencial de la velocidad , los hoyos se ven más profundos y alargados. Amedida que el movimiento del tubo tiende a causar una mayor fricción se hace másevidente el ángulo entre el tubo y el soporte a partir del alargamiento de las picaduras,

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Figura 4(b). Para un movimiento puramente de fricción el daño sobre la superficie es mássevero, como se observa en la Figura 4(c).

El microscopio electrónico de barrido (SEM) muestra las misma superficies con unaamplificación de 2000X, Figura 5. Las superficies desgastadas revelan capas de partículasdislocadas, que sugieren un mecanismo de daño por delaminación. La teoría de ladelaminación postula que el daño de las capas subsuperficiales genera dislocaciones yhuecos que finalmente conducen a rupturas superficiales. Los impactos tangenciales causanque el material se desprenda en forma de láminas delgadas. Las micrografías sugieren quela causa primaria del desgaste es la misma para los tres tipos de movimiento, la que sería elcorte debido a la fricción o al impacto oblicuo. E incluso más, mientras más cercano sea elmovimiento a un impacto normal, menor será el área afectada.

En un trabajo posterior, Blevins [12] corroboró muchas de estas observaciones. Sibien se dedicó a estudiar el fenómeno de fretting en reactores refrigerados por gases de altatemperatura (HTGR), en particular usando tubos de Incolloy 800H y aceros del tipo 2-1/4Cr-1 Mo, los resultados que obtuvo pueden aplicarse a otros materiales. Los estudiosmicroestructurales que realizó demostraron que el desgaste ocurre por la formación defallas subsuperficiales paralelas a la superficie del material. También se refirió a la pérdidaadicional de material por el crecimiento repetitivo de óxido y su posterior remoción porimpacto.

Un hecho curioso que surge en los estudios a distintas temperaturas es que la pérdidade material a temperaturas moderadas es menor que a temperaturas inferiores debido a queparte del material delaminado se suelda a la matriz. Mientras que a altas temperaturas lasmediciones muestran que la adhesión a la matriz de las partículas metálicas desprendidas y

Figura 4. Micrografías de tres tiposde superficies desgastadas. De arribahacia abajo, y de izquierda a derecha:(a) Impacto; (b) Impacto oblicuo yFricción; (c) Fricción

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el flujo plástico producen una superficie sumamente irregular, cubierta principalmente poruna gruesa capa de óxido.

Blevins también encontró que la aplicaciómediante el método de deposición por plasma, fuertemente la adhesión y la deformación suptemperaturas mayores de 500 °C en estas aleacionpor debajo de dicha temperatura. Cuando sólo el de carburo ambos mostraron un ligero desgpresentaba una mayor grado de daño. En la Figderecha se ven las muestras luego del experimenuna clara muestra de que hubo transferencia de m

En la misma línea, otros trabajos [9] sugprevenir el fretting son aquellos en los que se superficie o por un tratamiento superficial que proreduciendo así el coeficiente de fricción. Como des esencial que el substrato sea lo suficientemenadecuadamente el recubrimiento.

En cuanto al fretting en atmósferas acuosasreactor), como el aumento en la tasa de desgavelocidad de disolución electroquímica una foralgunos casos suprimirse por completo, es media

Figura 5. Micrografías adquiridas enel SEM de las mismas superficies dela Figura 4. De arriba hacia abajo, yde izquierda a derecha: (a) Impacto;(b) Impacto oblicuo y Fricción; (c)Fricción

n de una capa de carburo de Cr (Cr23C6)tanto al tubo como a su soporte, reduceerficial que ocurriría de otra manera aes. No se requeriría ningún recubrimientotubo o el soporte se cubrieron con la capaaste, donde el espécimen desprotegidoura 6 puede apreciarse este efecto. A la

to. La similitud entre ambas superficies esaterial entre ellas.ieren que los métodos disponibles para

reduce el daño por endurecimiento de laduzca un revestimiento del tipo cerámico,ichos recubrimientos son duros y frágileste rígido y resistente como para soportar

(como podría ser dentro del núcleo de unste puede atribuirse al incremento de lama de reducir este inconveniente, y ennte el uso de protección catódica.

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Atendiendo a sus características podría pensarse que otra solución al fretting sería eluso de lubricantes líquidos. Sin embargo no es posible disminuir el daño por fretting de estamanera debido a la baja velocidad de deslizamiento que se presenta durante el fenómeno.

4. Conclusiones

Como se ha podido comprobar, el fretting corrosion en las centrales nucleares es unmecanismo de desgaste que se encuentra influido por múltiples variables, mecánicas,hidrodinámicas y electroquímicas. Sin embargo, se pueden destacar como más importantelas siguientes características:

1. Las vibraciones inducidas por el pasaje de fluidos a través de diversoscomponentes nucleares es la causa principal de la aparición de fretting corrosion.Los componentes más susceptibles de sufrir daño por este mecanismo son lostubos de intercambiadores de calor, de generadores de vapor, las vainas deelementos combustibles y las mismas pastillas de combustible. Dependiendo deltipo de instalación nuclear se presentarán distintos tipos de flujo.

2. El daño por fretting puede predecirse conociendo las interacciones dinámicasentre los distintos componentes que intervienen en el mecanismo de fretting(usualmente tubo-soporte). Para ello se utilizan tanto simulacionescomputacionales, por ejemplo el código VIBIC, como experimentos enplataformas de ensayo. En ambos casos existe una gran concordancia entre laspredicciones que pueden realizarse.

3. Diversos experimentos permiten estudiar las características de las superficies decontacto entre los distintos componentes. De esta manera es posible determinar lainfluencia de los tipos de movimiento relativos posibles en el daño superficial, dela atmósfera sobre las partículas metálicas desprendidas, etc.

4. Entre los resultados experimentales más importantes se pueden mencionar lainfluencia de los distintos movimientos relativos entre el tubo y su soporte en eldaño superficial, las distintas etapas que se presentan en el fretting, lacomprobación de la pérdida de material por delaminación, la oxidación de las

Figura 6. Micrografíasde Incolloy 800ensayadas a 650 °C. Lasmuestras recubiertasestán arriba, y la columnade la izquierdacorresponde a lasmuestras antes delensayo, mientras que lade la derecha a lasmuestras después delensayo.

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superficies y de las partículas metálicas desprendidas en una atmósfera apropiaday la influencia de la temperatura en el desgaste.

5. Los problemas de fretting que están asociados con las vibraciones puedenminimizarse siguiendo lineamientos para el diseño de los componentes que tienenen cuenta cálculos de flujo, análisis de los mecanismos de excitación de lasvibraciones y de los mecanismos de disipación de energía. Dichas pautas dediseño aseguran una vida útil de los componentes apropiada para las aplicacionesnucleares.

6. Otras soluciones posibles al problema del fretting son recubrimientos del tipocerámico sobre las superficies que pueden llegar a dañarse por fretting yprotección catódica en ambientes húmedos.

5. Referencias

[1] Metals Handbook, vol 13, 9° edición, 6° reimpresión, (1998), Mechanically assisteddegradation, 138-140[2] L. Shreir: Corrosion, vol 1, (1979), 8:114-8:119[3] M. Yetisir, N.J. Fisher, Prediction of pressure tube fretting-wear damage due to fuelvibration, Nuclear Engineering and Design, 176 (1997), 261-271[4] D.H. Jones, A.Y. Nehru, J. Skinner, The impact fretting wear of a nuclear reactorcomponent, Wear, 106 (1985), 139-162[5] M.J. Pettigrew, L.N. Carlucci, C.E. Taylor, N.J. Fisher, Flow-induced vibration andrelated technologies in nuclear components, Nuclear Engineering and Design, 131 (1991),81-100[6] R.J Rogers, R.J. Pick, Factors associated with support plates forces due to heat-exchangers tube vibratory contact, Nuclear Engineering and Design, 44 (1977), 247-253[7] M.Yetisir, D.S. Weaver, The dynamics of heat exchanger U-bend tubes with flat barsupports, Journal of Pressure Vessel Technology, 108 (1986), 406-411[8] W.I. Enderlin, Steam generator tube vibration tests, Nuclear Engineering and Design,89 (1985), 333-337[9] R.B. Waterhouse, Introduction to the Fretting Wear Seminar, Wear, 106 (1985), 1-4[10] M. Cojan, Fuel vibration and fretting wear, 3° International Conference on CANDUfuel reactor, Canadian Nuclear Society, Toronto, ON, Canadá (1992), 7-58[11] P.L. Ko, H. Basista, Correlation of support impact force and fretting wear for a heatexchanger tube, Journal of Pressure Vessel Technology, 106 (1984), 69-77[12] R.D. Blevins, Vibration-induced wear of heat exchanger tubes, Journal of EngineeringMaterials and Technology, 107 (1985), 61-67