Metalografia No Destructiva parte2

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Capítulo 5: Réplicas microestructurales: El concepto de copiado de la superficie es similar en los tres tipos, es decir copian la topografía generada en el revelado de la microestructura, pero en las réplicas (2 y 3) se utiliza un disolvente a base de acetona, a diferencia del barniz que al encontrase líquido se esparce fácilmente sobre cualquier tipo de superficie.

En el siguiente croquis vemos en detalle como se aplica la técnica de replicación:

Técnica de replicación microestructural


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Montaje y examen de la réplica: La réplica se examina para mejor resolución con luz reflejada. Para poder observarla por luz reflejada en un microscopio metalográfico se procede de la siguiente manera:

• Se fija la réplica sobre un vidrio portaobjeto en cual fue adherida una cinta adhesiva doble faz. Tener cuidado de colocar hacia arriba la superficie de la réplica que contiene la impresión topográfica de la superficie atacada.(Como se observa en la figura de abajo).

• Una vez colocadas todas las réplicas a estudiar se procede al sublimado de Aluminio, Oro o Plata (Metalizado), en una campana de vacío donde con una resistencia eléctrica (alambre de Tungsteno)se calienta hasta fusión un trozo de alambre generalmente Aluminio( por su bajo valor) el cual se volatiliza en todo el volumen de esta campana, depositando sobre la superficie de la réplica una delgada y uniforme capa de dicho metal del orden de 200 Ǻ, con lo cual obtengo una superficie reflectante, favorable para la observación en el microscopio metalográfico.

• Es muy importante tener cuidado en estas etapas de preparación no inducir ningún tipo de deformación, rayado o quemado en la etapa de observación en el microscopio (Excesiva temperatura de la lámpara del microscopio).


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Los elementos utilizados en la preparación de la réplicas extraída los vemos en la

siguiente imagen.

Elementos utilizados en la preparación de la réplica para su posterior estudio. La identificación de la réplica es muy importante para determinar por medio de un croquis o plano la zona de donde se extrajo dicha réplica. Dicha identificación debe realizarse del revés de dicha réplica. Si consideramos que la zona en contacto con la superficie metálica pulida y atacada es la que copia la topografía del metal atacado en el respaldo o reverso colocaremos la identificación, la cual debe tener código de letras y números legibles y rastreables, como para ser rápidamente identificados tanto para la elaboración del informe como para testear con informes posteriores y comparar resultados.


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Análisis microestructural: Con el análisis microestructural podemos determinar patrones de fisuración en diferentes materiales a temperatura ambiente, alta temperatura y en distintos medios, cambios microestructurales debidos a diferentes mecanismos tales como termofluencia (Creep), microfusión localizada, etc. A continuación veremos algunas herramientas útiles para la detección y prevención de fallas, como control preventivo. Determinación de mecanismos de fisuración: Es muy importante ayudar a prevenir la rotura potencial de la rotura de un componente. Luego de una evaluación preliminar de la fisura, se debe evaluar la forma, longitud de la fisura utilizando un ensayo de partículas magnetizables o líquidos penetrantes. El método de réplicas metalográficas se utiliza previo pulido mecánico, se extrae una réplica donde obtendremos solamente información de la fisura ya que la microestructura no fue todavía revelada y se compara con patrones como el esquema siguiente donde veremos que cada mecanismo tiene un patrón con una morfología bien definida.

Creep Fatiga

Corrosión bajo tensión Corrosión intergranular Propagación de diferentes tipos de fisuras.


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Este mecanismo es característico de los aceros en general y algunas aleaciones de aluminio y cobre, pero no todos los materiales se comportan de la misma forma y poseen un patrón similar. Pero teniendo en cuenta este mecanismo para los aceros al C e inoxidables, debido a sus marcadas diferencias morfológicas es posible determinar rápidamente el mecanismo de avance de la fisura. Es de un valor importante poder tener esta herramienta ya que se puede determinar si la fisura se generó por un defecto inherente a su fabricación, por condiciones de servicio u otro tipo de agente que genere falla. Algunas veces si es identificado por Ejemplo un mecanismo de corrosión intergranular, se puede proponer una acción correctiva como eliminar el medio ambiente corrosivo o reducir tensiones residuales que podrían generar un mecanismo de corrosión bajo tensiones. Pero no siempre es tan fácil!!!!, existe fallas en componentes donde se encuentran mecanismos combinados, por Ejemplo, comienza por un mecanismo de corrosión picado y las tensiones generadas en el fondo del hoyuelo favorecen el avance de un mecanismo de fatiga mecánica. Daño por termofluencia (creep): La mayoría de las fallas por Creep los encontramos en componentes de plantas térmicas, operando bajo tensiones y alta temperatura. Donde el método de réplicas es ideal para poder cuantificar el daño por este mecanismo. Por lo tanto, este método No destructivo ha sido especialmente una herramienta importante en la estimación de vida remanente en muchos componentes como tubos de calderas (pared de agua zona del hogar), línea de vapor y componentes de turbinas(Carcasa ,ejes y alabes). El método de réplicas consiste en detectar pequeños orificios(hoyuelos) generados por este mecanismo, ubicados en los límites de grano o segunda fase. Con tiempo de funcionamiento y tensiones de operación , estos hoyuelos pueden unirse en forma tipo ROSARIO y formar cadenas debilitando el borde de grano y favoreciendo la formación de fisuras que eventualmente provoquen fallas del tipo catastrófica del componente. Las zonas criticas donde se debe evaluar este mecanismo son usualmente uniones soldadas, codos u otras regiones altamente tensionadas. Se puede estimar la vida remanente de los componentes estudiados realizando inspecciones regulares donde podemos realizar un seguimiento del daño. En los siguientes croquis mostramos densidad de hoyuelos donde puede determinarse el Estadio de degradación por Creep del componente.


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1 2 3 4

Esquema de formación de fisuras por Creep.

Existen criterios de inspección basados en el seguimiento de la evolución de la microestructura, con los cuales “no se estima” la vida residual del componente se proponen reinspecciones a tantas horas de servicio, obviamente controlando y manteniendo los mismos parámetros de operación. En la siguiente tabla veremos el criterio aplicable con este tipo de modalidad de inspección preventiva.

Clase Estadio Accionar

0 No presenta defectos de Creep. Controlar cada 2 años, según ASME VIII.

1 Una pequeña cantidad de cavidades. Reinspección después de 20.000 Hs de servicio.

2 Coalescencia de cavidades. Reinspección después de 15.000 Hs de servicio.

3 Microfisuras generadas por Creep. Reinspección después de 10.000 Hs de servicio.

4 Macrofisuras generadas por Creep. Inmediatamente informar y parar el equipo.

En condiciones normales de operación donde los parámetros de

operación no son modificados, no existen paradas imprevistas o fallas del componente, desde la última inspección donde se encontraron las primeras cavidades hasta la fuera de servicio del componente existe aproximadamente 45 a 50.000 hs de servicio (entre 5 y 6 años), donde realizando un seguimiento como el sugerido las posibilidades de una falla catastrófica se reducen notablemente.


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Otro forma de evaluar el daño por Creep utilizando el Estadio de degradación microestructural lo observamos en la siguiente curva. Donde encontrándonos dentro del Estadio I de degradación, el daño por Creep es mínimo, a medida que avanzamos en el daño llegamos al Estadio II donde los hoyuelos por Creep comienzan a generar degradación y baja de las propiedades mecánicas del componente. Llegando al Estadio III donde las microfisuras crecen para generar macrofisuras y se corre riesgo de rotura del componente.

Curva de progresión del daño por Creep – Gentileza de Babcock & Wilcox


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Existen otros métodos de seguimiento anteriores a la etapa de Creep I que ayudan a determinar si la degradación es progresiva o por algún motivo Termo-mecánico se generó una degradación rápida del componente. Dependiendo el tipo de material a inspeccionar existen guía de la degradación microestructural a continuación veremos algunas de ellas. La identificación de los materiales utilizados en recipientes que trabajan a presión o temperatura los podemos observar en la siguiente tabla.

Tabla 3 – Aceros utilizados a presión y temperatura


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Considerando que la degradación microestructural del tipo térmico- mecánico, necesariamente involucra cambios microestructurales con el tiempo es importante tener la referencia de partida, la microestructura de origen o fabricación, es decir para un acero al carbono del tipo A106 utilizado en la pared del hogar de una caldera acuotubular la microestructura de partida sería la que se observa en un acero ferrítico perlítico, donde las laminas de perlita se encuentran en forma laminar. Los aceros al carbono utilizados en calderas sufren en servicio transformaciones estructurales detectables metalográficamente. La más evidente entre ellas es la esferoidización de los carburos laminares de la perlita, que se produce como consecuencia de la disminución de energía libre del sistema, que acompaña la disminución de superficie de la interfase cementita-ferrita aplazar de la forma laminar a la esférica.

A continuación veremos ejemplos de los 6 Estadios de degradación anteriores al

Creep I, los mismos los identificamos desde la letra A hasta la F.


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Estadio A: En un acero al carbono sobre una matriz ferrítica las colonias de perlita poseen las laminas en forma laminar.

Estadio de degradación microestructural A.

Nótese que la perlita esta claramente en forma laminar, si sufrir ningún mecanismo de degradación. Estadio B: En un acero al carbono sobre una matriz ferrítica las colonias de perlita poseen las laminas en forma laminar y comienza parcialmente la globulización.

Estadio de degradación microestructural B.


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Estadio C: En un acero al carbono sobre una matriz ferrítica las colonias de perlita poseen las laminas totalmente globulizadas.

Estadio de degradación microestructural C.

Encontramos la perlita casi totalmente globulizada conservando la morfología de colonia. Estadio D: En un acero al carbono sobre una matriz ferrítica las colonias de perlita poseen las laminas totalmente globulizadas. Y comienza la precipitación en límite de grano.

Estadio de degradación microestructural D.

Esferoidización completa, pero los carburos siguen agrupados en sus colonias perlíticas originales. Comienza la precipitación en los límites de grano.


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Estadio E: Carburos homogéneamente dispersos (No existen trazas de la microestructura ferrítico-perlítica anterior.

Estadio de degradación microestructural E.

Estadio F: Carburos igualmente dispersos, pero una gran cantidad de los mismos son gruesos, algunos coalescen en forma continua con otros.

Estadio de degradación microestructural F.

En este caso nos encontramos en la etapa donde comienza el Creep I. Obsérvese que los carburos en límite de grano comienzan a formar cadenas continuas y fragilizan notablemente esta zona.


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En el siguiente croquis detallamos los estadios de degradación de las colonias de perlita según el Centro de investigaciones científicas Italianas( Ciccie).

Croquis de degradación microestructural de la perlita.


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Control de la degradación microestructural en aceros aptos para servicio a alta temperatura:

Para la interpretación de la degradación microestructural de aceros tipo P 11 y P 22,comúnmente utilizados, según la norma ASTM A-335(aleaciones desarrolladas para servicio a 450-650 ºC, temperatura critica para la precipitación de carburos), donde tenemos de microestructura de partida una matriz ferrítica con carburos finamente dispersos, retrasando de esta forma la cinética de formación de carburos en los límites de grano.

En la industria comúnmente los materiales usados son los especificados con esta denominación: 1 Cr- ½ Mo 1 ¼ Cr- ½ Mo 2 ¼ Cr- 1 Mo, los mismos son considerados resistentes al daño por Creep según el EPRI (Electric Power Research Institute) en su proyecto 2253-1 “Remaining life estimation of boiler pressure parts” Volumen 1: Identication of relevant damage mechanisms. La zona considerada crítica es la unión soldada, y preferentemente la zona afectada térmicamente(ZAT), donde existen tensiones residuales las cuales favorecen la propagación del mecanismo de Termofluencia (CREEP). Se debe tener en cuenta que existen dos tipos de daño por Creep en este tipo de aceros ferríticos:

• Degradación microestructural(Con precipitación en los límites de grano) favoreciendo la reducción de la resistencia mecánica y consecuentemente una acumulación de tensiones.

• Cavitación por Creep asociada normalmente con el borde de grano. Las técnicas de evaluación del daño por Creep en este tipo de aceros no es sencilla, y generalmente se pueden estudiar utilizando este tipo de herramientas que detallamos a continuación.


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Técnica de conteo por medio de medición de Precipitados: Se evalúan en diferentes zonas de la réplica estudiada, la morfología(heterogénea), tamaño y distribución de los precipitados y espaciados entre ellos. Además se evalúa sobre que tipo de microestructura están precipitados los carburos y si existe degradación de la misma.

Distancia entre precipitados

Croquis de distribución, tamaño, forma y espaciado entre precipitados.

A medida que aumenta la densidad de precipitados y comienza la coalescencia de carburos en los límites de grano, favorecen la disminución de las propiedades mecánicas,

y con las tensiones residuales actuantes (σ) se provocan mecanismos de formación de hoyuelos, tal como se indica en el siguiente croquis.


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Mecanismo de formación de hoyuelos por Creep: En el siguiente croquis se indica como la formación de hoyuelos y la relación de tensiones (σ) influyen en el mecanismo de termofluencia.

Croquis de formación de hoyuelos


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Matemáticamente se puede modelar el parámetro del daño. Utilizando el modelo de

Kachanov, representado por el símbolo σ el cual no posee un significado físico.. En el croquis de formación de los hoyuelos, el parámetro del daño esta físicamente basado con AC que representa la fracción de cavidad ( hoyuelo) en borde de grano. El ritmo de cavitación es proporcional a las tensiones. En los cristales (estructura cristalina de la aleación) sin cavitación las tensiones son incrementadas por un factor 1/(1- AC ) debido a la pérdida en la interfase matriz -hoyuelo en su corte transversal. Así la relación de tensiones esta dado por la siguiente expresión:

ε =B(σ/(1- AC ))n

Donde ε es el ritmo de tensiones por Creep, σ son las tensiones aplicadas, B y

n son constantes. El modelo completo, corresponde a la relación de tensiones de operación ,el tiempo de servicio y la densidad de hoyuelos detectados en los límites de grano AC , versus las tensiones. Estas dos ecuaciones diferenciales se pueden relacionar como: la fracción de vida remanente versus AC como:

(1-t/tr )= /(1- AC )n λ/λ-1

Donde tr es tiempo de ruptura, n y λ son constantes del material. La conducta exhibida por esta ecuación es observada en la siguiente curva, donde variamos valores de

n y λ.

La representación de λ en la siguiente curva indica la ductilidad del Creep III. “Para fragilización por Creep este radio es generalmente menor que 2”.


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Efecto de la constante del material sobre el daño por cavitación por Creep como función

de fracción de vida.

La metodología de inspección para componentes que trabajan a presión y temperatura de este tipo de materiales requiere de una aplicación multidisciplinaria y la utilización de varias técnicas. Los pasos son los siguientes: 1)- Es fundamental saber seleccionar la zona critica del componente. 2)- Elegir correctamente la técnica metalográfica correspondiente. 3)- Interpretación del grado de daño y determinar implicaciones futuras para la operación del componente. La selección del proceso es muy importante y consiste de los siguientes pasos: 1)- Calculo de la fracción de vida del daño acumulado. 2)- Evaluación de los datos de servicio, tales como temperatura, presión y antecedentes de fallas históricas y reparaciones. 3)- Evaluaciones con ensayos no destructivos, técnicas convencionales de los componentes. Tales como: Inspección visual, Líquidos penetrantes, Partículas magnetizables, Ultrasonido, Radiografía, Réplica metalográficas, Dimensionamiento, y Endoscopía. 4)- Integración de información sobre los puntos 1,2 y 3. Con reconocimiento de modos de falla observados en la operación de planta. (API 581)


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Utilización de dureza como parámetro de control: Una vez concluida la etapa de extracción de la réplica metalográfica, donde poseo la superficie libre de deformación plástica que podría inducir endurecimiento superficial. Para la realización de este ensayo se utiliza un durómetro portátil tipo Equotip como el que se observa en la siguiente figura.

Durómetro portátil con diferentes identadores

El ensayo se encuentra especificado en la norma ASTM A-956, donde el error es del orden de ± 0.5%. Con los resultados obtenidos se puede calcular un parámetro denominado Larson-Miller, especificado en la siguiente formula de calculo:

P= T(Kº)( 20 + log10 t (horas))

Siendo (t) el tiempo en horas y (T) la temperatura de servicio.


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Con estos datos podemos utilizar la siguiente curva y estimar el parámetro de Larson-Miller correspondiente a la degradación microestructural detectada y calcular en condiciones ideales(Deberían mantenerse en forma constante todos los parámetros) la vida residual del componente. Generalmente es un valor conservativo y nunca un valor exacto con años, días, horas y segundos como se observan en resultados de programas cerrados que se venden en el mercado. Donde se introducen los valores medidos de diferentes parámetros y luego de formulas mágicas se obtiene un valor de la VIDA REMANENTE .

Curva que relaciona dureza con el parámetro LM.


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Ejemplos de microestructuras degradadas por Creep: La degradación microestructural favorece la disminución de las propiedades mecánicas, y la formación de microcavidades, se inicia generalmente en los puntos triples, ya que son los sitios con máximas tensiones.

Se indica Creep I, nótese el comienzo de la formación de microcavidades.


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En el Estadio de Creep II la densidad de microcavidades son abundantes y al orientarse pueden generar microfisuras.

Creep II, donde la densidad de microcavidades es abundante, sin observarse fisuras.


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Comienzo del Creep III, se indica el inicio de microfisuras.

En esta etapa el mecanismo de degradación debido a las tensiones actuantes favorece el crecimiento de las microfisuras, las cuales al propagar generan la rotura del componente. No es conveniente llegar a este Estadio de degradación ya que los riesgos de falla de tipo catastrófica son latentes, corriéndose riesgos innecesarios sobre vidas humanas y en equipos costosos.


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Capítulo 6: Alcance de la técnica. Descripción de componentes y materiales: Existen en la industria infinidad de componentes que trabajan a presión y temperatura como sería el caso de calderas de potencia, como la del siguiente corte. Generalmente son inspeccionados por esta técnica ambos Domos, Sobrecalentadotes del sistema primario y secundario, colectores y el hogar de la misma.


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Hogar de una caldera: En este sector de la caldera los tubos son especificados por la norma A 192 (acero al carbono) o A 335 (acero al carbono aleados), deben soportar el calor de los quemadores( no la llama directa, de no ser así se degradarían rápidamente), en condiciones normales deben ser inspeccionados cada 5 años para realizar el seguimiento de su degradación microestructural. Pero existen condiciones especiales en las cuales la degradación puede ser acelerada. Un defecto comúnmente detectado es el desalineado de los quemadores donde la llama calienta localmente algún sector de la pared de agua del hogar, degradando localmente la zona, o la mala combustión de los mismos, lo cual genera una atmósfera altamente decarburante o carburante según sea oxidante o reductora la llama respectivamente.

Inspección de tubos en pared de agua de hogar de caldera.


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Microestructura de partida. (Perlita laminar) Microestructura de material degradado. El seguimiento de la degradación microestructural en este tipo de aceros ferrítico-perlíticos ya la hemos explicado anteriormente, pero para recordarlo, básicamente partimos de una microestructura con las colonias de perlita del tipo laminar y por efecto térmico la cinética de formación de carburos los tiende a la forma de menor energía, es decir de tipo globular o esférica. Además de la degradación microestructural es importante realizar un seguimiento de la variación de los valores de dureza, donde según la norma este valor no debe superar los 137 HB.


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Domos de la caldera: Podemos tener uno o dos Domos, identificándolos como superior e inferior, existiendo mayor degradación microestructural en el Domo superior, ya que las mayores temperaturas de vapor las encontramos allí. Generalmente estos componentes son cuerpos cilíndricos con una envolvente (chapa rolada) y dos casquetes (forjados), y en su parte inferior dependiendo la presión de trabajo serán mandrilados o soldados nicles de conexión con la línea de vapor o sobrecalentadotes primarios. Los defectos posibles a detectar en este tipo de componentes, además de los fenómenos corrosivos son los problemas de origen térmico, constructivos o reparaciones incorrectas . Los de origen térmico son evaluados de la misma forma que los tubos de la pared de agua ya que serían materiales similares. En cuanto a los de origen constructivo, una zona crítica a evaluar es la unión soldada del niple al cuerpo inferior del domo donde por tensiones de operación (fatiga) o por degradación microestructural (Creep) podrían detectarse fenómenos de fisuración. Otro problema típico de estos componentes es la fabricación de los casquetes, los mismos son forjados en caliente, pero excesos en la deformación o realizar el conformado a bajas temperaturas provocan tensiones residuales que en servicio favorecen un mecanismo corrosivo por el cual se fisuran con morfología similar a la que observamos en la siguiente imagen.

Fisuración de morfología intergranular.


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Sobrecalentadores: Dependiendo la zona de la caldera tenemos sobrecalentadotes secundarios que son la entrada del vapor saturado de material de P11 y los sobrecalentadotes primarios que es la zona caliente o salida del vapor sobrecalentado de material P22, ambos especificados en la norma ASTM A 335. El mecanismo de falla en este sector de las calderas es el Creep, pero también en menor medida podemos encontrar disminución de espesor por corrosión-erosión, oxidación a alta temperatura con formación de una capa de óxido dura, poco conductora que actúa como refractario generando una elevación de temperatura en forma local.

Tubo de sobrecalentador con Corrosión-erosión en la pared exterior.


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Nótese disminución de espesor en la zona fisurada.

Microestructura degradada. A 180º la microestructura sin degradación. Se detectó en la zona con menor espesor degradación microestructural y un aumento en los valores de dureza del orden del 30%.


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Estudio por medio de microscopía electrónica: Se examinó la microestructura, se observó la morfología de los precipitados, verificándose la presencia de carburos de cromo del tipo M23C6 . Una vez finalizado el examen microestructural se estudió la superficie de fractura detectándose una morfología del tipo frágil con clivaje escalonado el cual estaría relacionado con la fase laminar en el área degradada.

Precipitados en zona degradada, M23C6 Superficie de fractura tipo frágil. 1600x Con este análisis de falla se determinó el motivo de la fisuración del tubo de sobrecalentador y la zona critica del tubo, con esta herramienta se inspeccionó en la siguiente parada las 43 narices restantes evaluándose cual debía recambiarse y cual no , ya que la degradación fue en ciertos sectores de la caldera (zonas desprotegidas y expuestas a la corrosión-erosión).


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Colectores de vapor: Este tipo de componentes generalmente son de materiales resistentes a las altas temperaturas tipo2 ¼ Cr- 1 Mo y existen como fenómenos que pueden alterar su buen funcionamiento el Creep, y la Fatiga térmica. A continuación veremos una de las fallas detectadas en uno de estos componentes:

Inspección en la unión soldada del cuerpo del colector con el casquete Norte.

Fisuración en la Zona afectada Térm. Detalle del avance de la fisura.


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Calderas de menor potencia, con un área de convección y otra zona radiante la exigencias de los tubos son aún mayores. En la caldera del ejemplo la misma con un tiempo de servicio de 34 años se detectaron zonas donde se debían reemplazar tubos de la zona radiante, debido a que se encontraba en la etapa anterior al Creep primario.

Vista exterior de la caldera estudiada. Distribución de los tubos


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Tubos deformados por degradación. La degradación se encuentra en Estadio E. En la inspección visual se detectó la presencia de tubos deformados en áreas definidas del hogar del horno, en las mismas se realizó el ensayo de réplicas detectándose que la degradación microestructural en esta zona se encuentra en el Estadio E, próximo a entrar en el Creep primario. Recomendándose su reemplazo en la próxima parada programada la cual no debía superar los 2 años.


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Posibles daños de los aceros inoxidables: En diferentes industrias como por Ejemplo la alimenticia es utilizado el acero inoxidable. Extensas cañerías con uniones soldadas son utilizadas en las conexiones de sistemas que deberían ser estériles y limpios!!!. Pero si no controlamos algunos parámetros muy importantes podemos alterar las buenas propiedades a la corrosión de estos aceros, mal llamados Inoxidable, ya que son resistentes a la corrosión y no INOXIDABLES. Cuando los aceros inoxidables son calentados en el rango de 450-800ºC se produce la precipitación de carburos de cromo en los límites de grano. Esta precipitación puede ocurrir durante las distintas etapas de fabricación de una pieza tales como:

• Soldadura(Zona térmicamente afectada) • Trabajado en caliente. • Hipertemplado a causa de un enfriamiento lento.

La precipitación de carburos de cromo produce una serie de efectos no deseables en el material: • Sensibilización a la corrosión intergranular. • Mayor probabilidad de corrosión bajo tensión. • Disminución de las propiedades mecánicas, especialmente resistencia a la

fatiga.

Existen ensayos que permiten detectar la sensibilidad a la corrosión intergranular de un acero, en particular la norma ASTM A-262, describe 5 técnicas destinadas a tal fin, pero una de ellas puede ser utilizada en forma no destructiva , denominada práctica A y en la misma por medio de un ataque electroquímico se puede evaluar la sensibilidad a la corrosión intergranular.

Se utilizó como reactivo de ataque ácido oxálico al 10% con una densidad de corriente de 1 Ampere/cm2, durante 1 minuto. Ahora compararemos el mismo acero inoxidable austenítico tipo AISI 304 con y sin tratamiento térmico de precipitación. Debe aclararse que el tratamiento térmico realizado consiste en: Luego del hipertemple a 1100ºC, se realizó un tratamientos isotérmicos a 600ºC por 1 hora.


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Sin precipitación de carburos

AISI 304 libre de precipitación de carburos en los límites de grano.

Nótese decorado el límite de grano, debido a la precipitación de carburos.


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El mecanismo de corrosión bajo tensión: Es un fenómeno que se produce en muchas aleaciones ferrosas y no ferrosas pero en los aceros inoxidables es característica en las uniones soldadas. Su morfología es similar a la de un rayo en una noche de lluvia, es decir observamos una fisura cuyo avance es transgranular.

Aspecto de una fisura provocada por corrosión bajo tensiones.

Fenómeno de corrosión en acero inoxidable.


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Inspección de cordones de soldadura: Además de intentar detectar en las uniones soldadas debido a las tensiones residuales el mecanismo de Termofluencia (Creep) en componentes que trabajan a presión y temperatura el estudio de uniones soldadas puede darnos los siguientes datos importantes:

• Presencia de fases frágiles tales como Martensita en la zona afectada térmicamente, cuya dureza puede favorecer mecanismos de fisuración.

• En los aceros inoxidables la presencia de Ferrita delta(δ) es normal pero si posee más de 3% de esta fase el material no es apto para medios criogénicos y si posee por encima de 15% existen medios en los cuales se ve favorecida la corrosión interdendrítica en los cordones. Siendo lo ideal un porcentaje entre 3-9.

• Otra fase frágil que se puede detectar con esta técnica es la denominada fase Sigma(σ) , la cual se forma de la transformación de parte de la ferrita δ, la cual además de fragilizar en la interfase provoca decromización y por consiguiente pierde el acero su resistencia a la corrosión.

• Precipitación de carburos en la ZAT, los cuales favorecen la corrosión intergranular.

• Fisuración en caliente, existen varios factores que favorecen este mecanismo, uno de ellos es la segregación de Fósforo en los límites de granos interdendríticos.

Fisuración en caliente. Presencia de martensita fragiliza el cordón.


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Inspección de Turbinas de vapor: En este tipo de componentes tenemos como mecanismo posibles de falla:

• Termofluencia (creep) • Fatiga térmica. • Corrosión bajo tensión. • Corrosión –Erosión

Siendo las zonas criticas donde podemos encontrar estos mecanismos: • Carcasa e alta presión de vapor (HPCasing). • Carcasa de baja presión de vapor (LPCasing). • Alabes estatóricos. • Rotor de alta y baja presión. • Alabes rotóricos.(Blades). • Línea de vapor (Steam pipe) • Excitratriz. (acero antimagnético).

Corte de la turbina de vapor


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Otras aplicaciones: El rango de acción de la técnica de réplicas metalográficas no solo se limita a los diferentes aceros o a inspeccionar equipos que trabajen a presión y temperatura. Podemos utilizarla por ejemplo en la caracterización microestructural de todas las aleaciones de aluminio, cobre, cinc, plomo, obteniendo información de fases presentes, tamaño de grano y cualquier otro tipo de defectología en los mismos.

Aluminio aleado con Mg y Si, distribución de granos heterogéneos.

El campo de acción es muy amplio pudiéndose utilizar en más aleaciones y componentes que no hemos mencionado, y en diferentes industrias, no solo en las se pretende realizar un seguimiento de su degradación sino también en la industria química, nuclear, aeronaútica, alimenticia, del petróleo, tanto en perforación, extracción, como así también en la refinación. Pero en la rama de la Arqueometalurgía se han logrado determinar procesos de fabricación en piezas de museo las cuales no podían ser dañadas bajo ningún punto de vista. A continuación veremos algunos ejemplos de esta nueva aplicación de esta técnica.


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Arqueometalurgía: El estudio de piezas arqueológicas con las diferentes técnicas de ensayos no destructivos en estos últimos años nos ha proporcionado mucha más información que en los últimos dos siglos. Ya que al tener técnicas que no alteren la pieza arqueológica los museos pueden obtener información valiosa, en nuestro caso de los procesos de fabricación de piezas metálicas. Mucha experiencia hemos tomado con piezas provenientes del valle de Santa María del Valle de Catamarca, la cultura precolombina utilizaba como proceso metalúrgico la fusión de aleaciones de Cobre-Estaño con Arsénico (Proveniente de la Mena de la zona). En el museo Etnológico de Buenos Aires, nos han confiado infinidad de piezas de valioso valor cultural para su estudio. Pero también se han estudiado mascaras de Oro del Alto Perú, y piezas de Bronce Chino, entre otras.

Placa Aguada-Cultura Prehispánica. Posible molde utilizado para construcción


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Vista de campana con defectos. Microestructura típica de estas aleaciones. Cada cultura posee sus características microestructurales particulares. Esto nos ayuda a la hora de identificar la pieza arqueológica. Por Ejemplo en la Cultura Aguada del Noroeste de nuestro país el mineral de cobre estaba contaminado con Arsénico el cual precipitaba en los límites de grano combinándose con óxido de cobre. Los bronces chinos posee un porcentaje particular de Plomo, y a partir de cierta época fueron agregando cinc, hasta llegar al 40%, pero esta evolución fue progresiva.


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Capítulo Nº 7: Donde no utilizar esta técnica: Como ya comentamos anteriormente esta técnica es muy amplia y se puede utilizar en la mayoría de los materiales metálicos y no metálicos. Pero existen proceso de degradación que no son superficiales y debemos tener claro que la técnica de réplicas es básicamente superficial y no volumétrica. A continuación nombraremos dos tipos de procesos de degradación los cuales no pueden ser detectados por esta técnica, o cuando son detectados ya es muy tarde. Campanas de recuperación (Material AISI 310): Este tipo de componentes es utilizado en el tratamiento térmico de relevado de tensiones de las bobinas de chapas laminadas en frío. Dichas campanas esta fabricadas en chapa corrugada de acero inoxidable AISI 310 el cual es resistente al calor y su rango de trabajo nos permite que el mismo no se deforme a la temperatura de trabajo. Pero el fenómeno de degradación en este tipo de materiales se genera desde el núcleo del mismo hacia fuera con lo cual cuando detectamos anormalidades microestructurales en la superficie ya es tarde por que el núcleo se encuentra fisurado.

Nave donde se realizan dichos tratamientos térmicos. Se observan bobinas


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Vista de la campana de recuperación

En la figura de la campana de recuperación se indican tres zonas identificadas como A, B y C, siendo la zona C las más crítica debido a que estas campanas son calefaccionadas con gases de la combustión de un Alto Horno los cuales son ricos en Azufre altamente corrosivo. Con lo cual se pudo estimar el daño por el fenómeno corrosivo pero el daño por degradación por Creep.


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Se observa claramente el fenómeno de corrosión intergranular

Nótese sobre una matriz austenítica con maclas de recocido islas de color oscuro, son carburos de cromo precipitados en forma de colonias y se observa claramente el fenómeno de corrosión intergranular. El cromo debería estar en equilibrio en la matriz y no formando carburos, este proceso favorece la corrosión superficial de la campana de recuperación a pesar de tratarse de un acero inoxidable de alta calidad. En cuanto al proceso de degradación por Creep no es aún detectado por esta técnica.


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Hornos de craqueo (Material HK 40): Este tipo de materiales es también resistente a altas temperatura en un rango aún mayor al AISI 310. Los mismos son fabricados por fundición centrifuga generalmente y se tratan de tubos para trabajo por encima de 800ºC. En este caso también la degradación no puede ser detectada por métodos no destructivos. A continuación mostraremos como actúa el mecanismo de degradación por Creep en las uniones soldadas Y desde el interior del tubo hacia el exterior..

Parámetro de degradación por Creep.


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Unión soldada de HK 40, no se detectaron anormalidades microestructurales

La única defectología detectable con esta técnica sería la fisuración en la unión

soldada por fisuración en caliente o fatiga, pero es imposible detectar el Creep.


85

Recubrimientos y tratamientos térmicos superficiales: Finalmente al ser una técnica superficial es imposible inspeccionar piezas que posean recubrimientos superficiales tales como: Cementado, nitrurado, anodinado, o recubrimientos cerámicos tales como los utilizados en ciertos alabes de turbinas de vapor, en donde usualmente se busca detectar Creep pero este tipo de alabes en particular solamente sirve la técnica de réplica topográfica donde se podrían detectar fisuras en el recubrimiento o arrancamientos por erosión.


86

“ Es importante destacar que con esta técnica no destructiva se podría haber evitado esto…….”


87

Referencias: 1)- Norma ASTM E-1351-01 “Standard Practice for Production and Evaluation of Field Metallographic Replicas”. 2)- Norma ASTM A 335/A A335M “Specification for Seamless Ferritic Alloy Steel Pipe for High-Temperature Service”. 3)- Norma ASTM E-3 Methods of Preparation of Metallographic Specimens”. 4)- Norma ASTM E-407 “ Methods for Microetching Metals and Alloys”. 5)- Replication Microscopy Techniques for NDE. A Marder- Energy Research Center-Lehigh University. 6)- Metals Handbook of Nondestructive Inspection of Specific Products.Boilers and Pressure Vessels.Pag. 642-645.

Metalografia No Destructiva parte2

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