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Reparaci�n de discos del rotor de turbina de vapor con gtaw y smaw bajo condiciones de soldabilidad y propiedades mec�nicas mejoradas

 

Steam turbine rotor disc repair with gtaw and smaw under improved weldability conditions and mechanical properties

 

Reparo do disco do rotor da turbina a vapor com gtaw e smaw sob melhores condi��es de soldabilidade e propriedades mec�nicas

 

Cristian David Redroban-Dillon II david.redroban@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0003-3543-9390

Alex Gionanny Tenicota-Garc�a I alex.tenicota@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-0707-7698

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	Cesar Marcelo gallegos-Londo�o III cesar.gallegos@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-8685-7501

 

 

 

 

 

Correspondencia: alex.tenicota@espoch.edu.ec

Ciencias de la salud

Art�culos de investigaci�n

 

 

*Recibido: 16 de julio de 2021 *Aceptado: 30 de agosto de 2021 * Publicado: 06 de septiembre de 2021

 

        I.            Mag�ster en Gesti�n del Mantenimiento, Escuela Superior Polit�cnica del Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Grupo de Investigaci�n del Mantenimiento GIMAN, Ecuador.

      II.            Ingeniero Automotriz, Escuela Superior Polit�cnica del Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Grupo de Investigaci�n del Mantenimiento GIMAN, Ecuador.

   III.            Mag�ster en Gesti�n del Mantenimiento, Escuela Superior Polit�cnica del Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Grupo Organizaci�n del Mantenimiento GIOMAT, Ecuador.

Resumen

La soldadura de arco el�ctrico como parte de un proceso de reparaci�n de discos del rotor de turbinas de vapor, presenta resultados diferentes con el uso de consumibles, tratamientos t�rmicos y/o acabados superficiales en el mecanizado, por ello no se puede precisar las mejoras en los materiales.� El presente trabajo tiene como objetivo estudiar un caso en particular de reparaci�n de discos del rotor de turbinas de vapor de material ASTM A565 Grado 616 y ASTM A 470-8 por soldadura de arco el�ctrico SMAW vs GTAW, en donde se destaquen los resultados de soldabilidad y propiedades mec�nicas. La soldabilidad fue definida anal�ticamente mediante la aplicaci�n del carbono equivalente e interpretaci�n del cord�n resultante con diagrama de Shaeffler, para el caso de estudio bajo condiciones t�rmicas controladas entre 120 a 300 �C de precalentamiento seg�n las dimensiones referenciales de espesores que oscilen entre �� a 1 ��. Al aplicar las soldaduras con electrodos austen�ticos o duplex, con recocido a trav�s de un pase caliente por cada tres pases, se realiza la aplicaci�n del normalizado y seguidamente el mecanizado y de ser posible el bru�ido. En adici�n a ello es aplicado el revenido a m�xima temperatura controlando el calentamiento y enfriamiento de la pieza intervenida. Finalmente se realiza el montaje con las pruebas de funcionamiento y control de calidad, de tal manera que, se prev� una mejora de las propiedades mec�nicas de las superficies reparada, como el caso de la dureza y tenacidad mejorada entre el 2% al 16% con respecto a los valores referenciales en el metal base, cord�n y zona afectada de calor.

Palabras clave: Reparaci�n de rotores; turbinas de vapor; soldabilidad; dureza; tenacidad.

 

Abstract

Electric arc welding as part of a steam turbine rotor disc repair process, presents different results with the use of consumables, heat treatments and/or surface finishes in the machining, therefore it is not possible to specify the improvements in the materials.� The objective of this work is to study a particular case of steam turbine rotor disc repair of ASTM A565 Grade 616 and ASTM A 470-8 material by SMAW vs GTAW electric arc welding, highlighting the results of weldability and mechanical properties. The weldability was defined analytically through the application of the equivalent carbon and interpretation of the resulting bead with Shaeffler diagram, for the case of study under controlled thermal conditions between 120 to 300 �C of preheating according to the referential dimensions of thicknesses ranging from �" to 1 �". When applying the welds with austenitic or duplex electrodes, with annealing through a hot pass for every three passes, the application of the normalized and then the machining and if possible, the burnishing is carried out. In addition to this, tempering is applied at maximum temperature, controlling the heating and cooling of the workpiece. Finally, the assembly is carried out with the operation and quality control tests, in such a way that an improvement of the mechanical properties of the repaired surfaces is foreseen, as in the case of hardness and tenacity improved between 2% to 16% with respect to the reference values in the base metal, bead and heat affected zone.

Keywords: Rotor repair; steam turbines; weldability; hardness; tenacity.

 

Resumo

A soldagem a arco el�trico como parte de um processo de reparo de disco de rotor de turbina a vapor apresenta resultados diferentes com a utiliza��o de consum�veis, tratamentos t�rmicos e / ou acabamentos superficiais na usinagem, portanto n�o � poss�vel especificar nos materiais. O objetivo deste trabalho � estudar um caso particular de reparo de disco de rotor de turbina a vapor de material ASTM A565 Grau 616 e ASTM A 470-8 pela soldagem a arco el�trico SMAW vs GTAW, destacando os resultados de soldabilidade e propriedades mec�nicas. A soldabilidade foi definida analiticamente atrav�s da aplica��o do carbono equivalente e interpreta��o do cord�o resultante com diagrama de Shaeffler, para o caso de estudo sob condi��es t�rmicas controladas entre 120 a 300 � C de pr�-aquecimento de acordo com as dimens�es referenciais de espessuras variando de � " a 1 � ". Na aplica��o das soldas com eletrodos austen�ticos ou duplex, com recozimento por passe a quente a cada tr�s passes, � realizada a aplica��o do normalizado e posteriormente a usinagem e se poss�vel, o polimento. Al�m disso, o revenimento � aplicado na temperatura m�xima, controlando o aquecimento e resfriamento da pe�a. Por fim, a montagem � realizada com os testes de opera��o e controle de qualidade, de forma que se preveja uma melhora das propriedades mec�nicas das superf�cies reparadas, como no caso da dureza e tenacidade melhorada entre 2% a 16% com rela��o aos valores de refer�ncia no metal de base, cord�o e zona afetada pelo calor.

Palavras-chave: Repara��o de rotor; turbinas a vapor; soldabilidade; dureza; tenacidade.

 

 

Introducci�n

La reparaci�n seg�n el criterio europeo definido en (EN UNE, 2016) refiere a la acci�n f�sica que se realiza para restablecer la funci�n requerida de cualquier elemento averiado teniendo en cuenta que tambi�n incluye la localizaci�n de aver�as y la verificaci�n de la funci�n. La ejecuci�n de la reparaci�n de elementos mec�nicos re�ne una serie de actividades y procesos industriales tales como la limpieza t�cnica, mecanizado, cambio de componentes, y recuperaci�n de las propiedades mec�nicas y dimensiones mediante procesos de soldadura, metalizaci�n, fundici�n, tratamientos t�rmicos, entre otros. En muchas ocasiones seg�n (S�NCHEZ, 2018), varias empresas que forman parte de los m�s importantes sectores industriales de un pa�s en desarrollo poseen la necesidad de reparaci�n de elementos met�licos generalmente costoso, lo que conlleva a definir procedimientos t�cnicos direccionados a rescatar las dimensiones geom�tricas, y mantener o mejorar propiedades mec�nicas de los equipos cr�ticos y sus componentes mec�nicos mediante la alternativa m�s conveniente.�

Un ejemplo importante de equipos cr�ticos son los rotores y �labes de las turbinas de vapor, las cuales tuvieron sus inicios en 1880, y gracias a su construcci�n por el ingl�s Charles Parsons y el sueco Carl Gustav de Laval hicieron posible en un futuro la generaci�n de la energ�a el�ctrica. La turbina de vapor es un equipo t�rmico rotatorio de combusti�n generalmente externa, que transforma la energ�a t�rmica en energ�a el�ctrica, por lo que uno de sus componentes m�s cr�ticos por el contacto directo con el fluido son los discos de rotores, y estos son los elementos de una turbina donde tiene lugar la extensi�n de vapor causante del deterioro regular seg�n (PINO G�MEZ, 2017). Los discos y �labes son componentes muy delicados ya que su funcionalidad es de suma importancia para la turbina de vapor, pues como se mencion� anteriormente son los encargados de aprovechar los gases de combusti�n para mover la turbina a grandes velocidades, lo que puede provocar altos esfuerzos y cargas t�rmicas, que desencadenan peque�os defectos superficiales que pueden convertirse en cr�ticas respecto al tiempo. Tanto los �labes como los discos de los rotores son de materiales forjados de baja aleaci�n con cromo, molibdeno y vanadio, y para casos de servicio por encima de los 538 �C se usan aceros inoxidables martens�ticos, seg�n (Mazur, 1999). De acuerdo con lo analizado por (ESPINILLA PE�A, 2019), las turbinas dise�adas por el ingl�s Charles responde a ser una turbina de reacci�n, la misma que permite que el vapor fluya en la direcci�n longitudinal del eje y reduce gradualmente la presi�n, distribuida sobre varias ruedas de cuchillas. En el caso de la turbina dise�ada por Carl, contempla un gran n�mero de aspas en forma de cubo que recogen el vapor y lo convert�an en un movimiento circular elaborada por una gran variedad de materiales, entre los principales el ASTM A565 Grado 616 y ASTM A 470, clase 8. Los discos de rotores muy populares son de material ASTM A 470-8, han registrado una mayor cantidad de da�os irreparables originados por erosi�n, impacto de part�culas s�lidas, acumulaci�n de elementos en la tuber�a y exfoliaci�n. Para estos casos se han preferido soluciones de recambio, pero cuando los l�mites de desgaste han superado referencias permisibles, pero cuando los l�mites son tolerables entonces es recomendada la reparaci�n por mecanizado, soldadura y tratamientos t�rmicos. Los da�os m�s frecuentes y comunes que se producen en los discos de rotores de una turbina analizando ciertos aspectos que causan las aver�as en estos, se puede identificar de la siguiente manera: causas relacionadas con el elemento mec�nico, debidas a otros elementos y con el funcionamiento u operaci�n, seg�n (RIVERA, 2009). A pesar de ello, la alternativa del mantenimiento correctivo para casos tolerables que no tienen un alto esfuerzo dentro de su contexto, y que los recursos de los m�todos de reparaci�n est�n disponibles entonces podr�a proceder sin dificultad. Para dar soluci�n a los da�os en materiales especiales usados para discos de rotores se acude a la combinaci�n de actividades t�cnicas de enfoque mec�nico que muy a menudo varias de acuerdo con las dimensiones o composici�n del material. Se puede mencionar que los procedimientos podr�an parecerse mucho para el desarrollo de una reparaci�n por soldadura utilizando diferentes consumibles hacen notar soluciones con diversos resultados y hasta desconocidos.

Los motivos frecuentes de las aver�as en los elementos es la falta de mantenimiento, ambientes de trabajo agresivo, y deficiencia de las caracter�sticas mec�nicas de los materiales constitutivos de componentes y subsistemas de equipos e instalaciones industriales. El caso de componentes mec�nicos de extremada importancia para el proceso de generaci�n de energ�a el�ctrica como parte vital del desarrollo econ�mico, requiere de la debida consideraci�n para con el establecimiento de procedimientos espec�ficos que respondan con soluciones puntuales sin la necesidad de desentender al personal t�cnico de esta labor apegada al cumplimiento de est�ndares internacionales y locales. Por lo tanto, los discos de rotores de una turbina de generaci�n de energ�a el�ctrica, sea dentro de un contexto de trabajo en caliente como turbinas de vapor, o dentro de un contexto abrasivo el caso de hidroel�ctricas, estos sufren da�os severos reflejados en desgaste, seg�n (PINO G�MEZ, 2017). La construcci�n, el dise�o y el tipo de material de fabricaci�n, ha tratado de combatir las intensas manifestaciones de fallos, pero que en varias ocasiones los discos no han respondido con las condiciones de funcionamiento variantes del proceso productivo, lo que desencadena en la necesidad de recambios costosos o de preferencia la recuperaci�n del elemento, y as� evitar el cambio innecesario de todo un diafragma.

La soldadura de arco el�ctrico como alternativa de reparaci�n sea en la recuperaci�n de elementos mec�nicos por recargue o uni�n de piezas separadas, seg�n los trabajos especializados de (P�REZ, 2020), y (ARES, 2021), es la alternativa m�s confiable. La soldadura de arco el�ctrico manual de electrodo revestido SMAW ha servido para resolver problemas de fracturas, desgaste y fatiga de la mayor cantidad de materiales met�licos con especial composici�n, principalmente por razones de versatilidad, variedad de consumibles y facilidad de implementaci�n. Sin embargo, varios procesos de soldadura de arco el�ctrico de mejor eficiencia han servido para destacar en la reparaci�n de varios ejemplos industriales como el caso de la reparaci�n de discos de rotores de turbinas, pero, existen desventajas en la recuperaci�n de piezas averiadas que requieren conservar o mejorar las propiedades mec�nicas de resistencia para aceros al carbono de alta aleaci�n forjados y tratados al vac�o, seg�n algunos entendidos del tema como (FIGUEROA GARC�A, 2019), (S�NCHEZ ARCOS, 2019), (HERN�NDEZ MART�NEZ, 2018), entre otros.

El presente trabajo tiene como objetivo estudiar la reparaci�n de discos del rotor de turbinas de material ASTM A 470-8 por soldadura de arco el�ctrico SMAW vs GTAW. Al contar con un proceso de reparaci�n con definidas pautas en lo que refiere a la intervenci�n de la soldadura, se podr� garantizar la soldabilidad, mantener las propiedades mec�nicas y dimensionales de la pieza a reparar. Los discos reparados y disponibles para el proceso traen consigo la funcionalidad de los sistemas de generaci�n de energ�a el�ctrica, y mientras m�s se encuentren las posibilidades de hacerlo de manera �gil ser� mucho mejor.

 

M�todos y materiales

A continuaci�n, se procede con la explicaci�n del proceso a seguir en la reparaci�n de discos del rotor de turbinas de vapor en caliente, para casos de materiales conocidos y desconocidos desde un enfoque general. Fue resumida la formulaci�n del proceso propuesto en el dimensionamiento del problema a solucionar y el seleccionamiento de los recursos necesarios para la reparaci�n efectiva. En la figura 1, se muestra un proceso l�gico y secuencial que resume actividades estrictamente t�cnicas con un enfoque oportuno hacia la soluci�n del problema de fallas ocurridas en los discos del rotor de turbinas, pero que bien podr�a ajustarse al tratamiento de los dem�s componentes rotatorios de la turbina.

Para empezar el proceso se identific� la presencia del requerimiento de reparaci�n, el cual viene acompa�ado de los s�ntomas que pueden debilitar el correcto funcionamiento de la turbina, como es la p�rdida de potencia, incremento de ruidos, niveles permisivos de vibraci�n, entre otros. Lo mencionado se defini� la forma de comunicaci�n con los responsables del mantenimiento sea por pedido verbal o escrito, por parte de los responsables de producci�n u operaci�n que llevan a cabo el monitoreo, y conforme a un plan establecido se llegue a decidir por la intervenci�n correctiva.

 

Tabla 1. Elementos constituyentes de materiales base de discos del rotor de turbinas de vapor. (Bringas, 2016)

Recopilado por: Autores

 

El desmontaje se procedi� luego de conocer el requerimiento de reparaci�n, el cual empez� con las paradas de producci�n, acondicionamiento y se�al�tica del lugar de trabajo, para que la participaci�n de personal t�cnico experimentado y calificado se haga efectiva con los recursos t�cnicos necesarios. Caso contrario se sugiere proceder con el an�lisis del material mediante procesos de estequiometria, m�todos qu�micos, analizadores fluorescencia de rayos X �XRF� o m�todos emp�ricos de reconocimiento de metales. Los materiales base m�s comunes y considerados como casos de estudio, que fueron tomados en cuenta para la estructuraci�n de discos del rotor de procedencia americana, principalmente contienen elementos met�licos que podr�an desmejorar la soldabilidad, los cuales se definen valores referenciales en la Tabla 1. Adem�s, para que se lleve a cabo el an�lisis de los materiales se tom� en cuenta los principales detalles de las propiedades mec�nicas, f�sicas y tratamientos t�rmicos, y as� fue dimensionado con certeza el fallo.

 

Figura 1. Diagrama de procedimientos de reparaci�n

Elaborado por: Autores

Luego de conocer el material fue dimensionado el fallo conforme a la referencia del estado de rotura de los discos con inmensos desastres dentro de la turbina como l�mite superior, sea principalmente a las condiciones de trabajo. La superaci�n de los l�mites permisivos de impactos de part�culas s�lidas, grietas, p�rdida de recubrimiento, corrosi�n, roces, deformaci�n por fluidez t�rmica y sobre temperatura, seg�n (Mazur, 1999), hizo considerarlas como principales evidencias para decidir el remplazo del componente o la reparaci�n. Para dimensionar la falla se consideraron los l�mites tolerables de los fallos manifestados en desgaste, rotura, o deformaci�n, y para ello se tom� en cuenta las dimensiones referenciales estandarizadas conforme a la potencia de la turbina, velocidad angular de la turbina, el n�mero de etapas y �labes. Al reconocer el da�o o el �rea destinada a restaurarse mediante la verificaci�n del grado de complejidad y l�mites permisibles de fallos de un material conocido, se tom� la decisi�n de reparar, sabiendo que estos temas definen las condiciones que intuyen la soluci�n apropiada del problema.

Al conocer la dimensi�n del fallo y estar seguro de la soluci�n, entonces se eligi� el m�todo que muy apropiadamente al tratase de soldadura se consideran a los casos con la presencia de desgaste, fracturas o deformaciones considerables hasta un l�mite permisible. Sin embargo, las deformaciones menores que pr�cticamente no son acompa�adas de desgaste excesivo ni desperfectos considerables se mencionaron proceder con reparaciones menores de acuerdo con la l�gica del proceso propuesto.

Para proceder a reparar por soldadura se debi� primero seleccionar los consumibles necesarios mediante las interpretaciones del carbono equivalente (CE-AWS o CE-IIW) y diagrama de Shaeffler, y de esa manera fue identificada la soldabilidad y preparaci�n t�rmica que debe recibir el metal base. La correcta selecci�n del consumible sea en proceso de soldadura de arco el�ctrico con electrodo revestido SMAW, o protecci�n gaseosa con electrodo de tungsteno GTAW, hizo que las propiedades mec�nicas e imperfecciones sean cada vez menos probables. Los argumentos suficientes para definir el nivel de soldabilidad al caracterizar el cord�n resultante mediante el diagrama de Shaeffler, tienen que ver con la ubicaci�n del punto referencia n�quel y cromo equivalente en cuanto se enmarque en las zonas de agrietamiento en frio o caliente, formaci�n de microestructuras fr�giles y/o crecimiento del tama�o de grano.���

Para continuar con el proceso de reparaci�n del componente definido como defectuoso reparable, se debi� definir los recursos y variables necesarias para proceder con la soldadura SMAW o GTAW, los cuales se resume en equipos de protecci�n, elementos del equipamiento de soldadura, consumibles, y elementos de limpieza. El trabajo t�cnico de soldadura comenz� con la sujeci�n apropiada del disco del rotor en la mesa de trabajo, y con las previsiones necesarias se desarrolla la limpieza superficial. La limpieza debe cumplir con el objetivo de liberar de agentes extra�os a las paredes que muestran deterioro o fractura. Seg�n sea el problema se realiz� los rellenos o uniones de soldadura conforme a dimensiones definidas bajo criterios estandarizados como el caso de la sociedad americana de soldadores AWS D1.6 y la sociedad americana de ingenieros mec�nicos ASME Secci�n IX.

Antes de empezar con el aporte de la soldadura para fines de recuperaci�n de la pieza, fue necesario tomar en cuenta las recomendaciones de soldabilidad y los criterios definidos en el seleccionamiento del consumible, y as� llevar a efecto el proceso de preparaci�n t�rmica para los discos del rotor que responden a espesores iguales o mayores a 1 pulgada. En muchas ocasiones los pases de soldadura fueron realiz�ndose a la par, sin embargo, los pases de relleno y peinado son los m�s populares para las reparaciones debido a que no son muy frecuentes las uniones a tope por ende los pases de ra�z no son comunes. Para casos de discos del rotor de turbinas que presentaron agrietamiento se propuso resolver con uniones a tope, de tal manera que se proteja la zona agrietada con alg�n material de similares o superiores propiedades mec�nicas.

La limpieza despu�s de cada pase de soldadura realizada indudablemente fue de vital importancia, y seg�n el proceso de soldadura seleccionado fue diferente el uso de herramientas e insumos, debido a la presencia de escoria y materiales extra�os en las superficies de los cordones elaborados. No se descart� el desarrollo de un normalizado como tratamiento t�rmico para efectuarse luego de proceder con los recargues de soldadura, labor que permite facilitar el mecanizado y la disminuci�n de las tensiones internas.�

El uso de m�quinas herramientas para liberar el material adicional, se limit� al acabado superficial y al cumplimiento de las dimensiones referenciales establecidas por el dise�o del fabricante. El acabado superficial del mecanizado de discos del rotor se pudo mejorar mediante la implementaci�n del proceso complementario de bru�ido con bola o rodillo para poder mejorar la rugosidad, resistencia al desgaste, resistencia a la fatiga y aumentar la dureza, mismas propiedades necesarias para que los elementos reparados puedan acoplarse nuevamente al contexto operacional de trabajo.

En la mayor�a de las empresas de alto prestigio el control de calidad fue indispensable en todos los procesos importantes que forman parte de la reparaci�n, y es por eso que el aporte de soldadura y el mecanizado fueron revisados sus resultados de manera apropiada por ensayos no destructivos, pero seg�n las posibilidades, el caso de discos como son componentes recuperables con menores posibilidades de agrietamiento adquirido en la soldadura, la inspecci�n visual es el m�todo junto con sus t�cnicas destacadas como recomendables para evaluar las dem�s imperfecciones. Cabe recalcar que el proceso de control de calidad o inspecci�n de los resultados vino incluido en los procesos de soldadura y mecanizado como parte de la garant�a que debe darse a los resultados, y es que el proceso a llevarse a cabo en la reparaci�n debe ser integral y seg�n las condiciones que tenga la empresa, pues se llevar� a efecto la inspecci�n. Los ensayos de tintas penetrantes y part�culas magn�ticas fueron necesarios para descartar grietas principalmente a los materiales de baja soldabilidad, y el caso de radiograf�a, part�culas magn�ticas o ultrasonido fue direccionado para evaluar casos de soldadura GTAW en donde las posibilidades apuntaban a la aparici�n de incrustaciones.

Luego de obtener un acabado superficial aceptable y cumplir con las propiedades mec�nicas necesarias, se garantizaron los terminados y posiblemente una mejora en las propiedades mec�nicas, mediante el desarrollo de tratamientos t�rmicos que en su materia fueron muy apropiados para los metales en estudio. Los tratamientos t�rmicos liberaron tensiones internas generadas en la soldadura de mantenimiento y haciendo que el metal sea menos duro para mecanizarlo, por tal virtud el normalizado junto con el recocido fueron las principales alternativas. El revenido y/o temple en algunos casos se recomend� implementar luego de mecanizar y as� conseguir el acabado superficial con m�ximo aumento posible de la tenacidad medible con pruebas Charpy.

Casi al finalizar el proceso t�cnico de reparaci�n se conllev� un proceso de montaje de acuerdo con las recomendaciones de ajuste, protecci�n, lubricaci�n, ajuste, calibraci�n, y limpieza que muy seguramente estuvieron tipificadas en manuales de fabricantes. Sin embargo, al tratar el montaje estrictamente de discos del rotor se debi� considerar la ubicaci�n e inclinaci�n correcta en el rotor y tomar en cuenta todas las recomendaciones t�cnicas de funcionamiento y manipulaci�n segura.

 

 

Resultados y discisi�n

A continuaci�n, se exponen los principales resultados a obtener en una reparaci�n de discos del rotor de acuerdo con el proceso propuesto, conforme a la revisi�n de casos documentados en turbinas de 20.65 MW (Mazur, 1999) y 65MW (Mecanalisis SA, 2021), con el prop�sito de interpretar resultados puntuales de soldabilidad y los m�s posibles logros en propiedades mec�nicas necesarias para soportar las condiciones de trabajo agresivas.

Para el desmontaje se logr� obtener las piezas debidamente limpias, separadas y ordenadas de acuerdo con recomendaciones del fabricantes y criterios de los t�cnicos principalmente mec�nicos. El cumplimiento de instrucciones definidas en manuales apropiados de la turbina que recopila varias normativas, as� como los reglamentos de seguridad industrial ASME B30.20 e izaje de cargas ASME B30.9 para casos de tecnolog�as americanas, ha notado resultados del desmontaje exitoso, con un m�nimo porcentual de riesgos y eficacia del trabajo, aunque difieren en los tiempos de cumplimiento los dos casos de diferente potencia.

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Figura 2. Desmontaje de turbina de vapor 65MW.

Fuente: (Mecanalisis SA, 2021)

 

En cuanto al reconocimiento del metal base se muestra que los resultados m�s inmediatos ser�an mediante la aplicaci�n de analizadores fluorescencia de rayos X �XRF�, aunque los estudios en laboratorios por estequiometr�a son m�s demorados en obtener resultados, pero son m�s reales para el caso de no conocer el material. Sin embargo, los resultados mostrados por (Mazur, 1999) hacen prever un an�lisis de fallas para cada caso, de tal manera que en el presente trabajo se muestran los casos de discos del rotor y �labes con mecanismos de fallos manifestados principalmente en fragilidad de revenido, fatiga, fatiga t�rmica, erosi�n, desgaste y defecto del material.

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Figura 3. Relaci�n de mecanismos de fallas y sus causas m�s probables en los discos de rotores estudiados.

Elaborado por: Autores

 

Analizando la relaci�n que existe entre los mecanismos de fallos y las causas hace prever que los elementos del rotor son reparables por soldadura cuando presentan casos de desgaste y fatiga ya que muestran la mayor probabilidad de ocurrencia, y se establecer�a un l�mite de tolerancia que responde a la dimensi�n del espesor de los dientes y alojamientos del disco hasta un 25% de p�rdida de material respecto a la dimensi�n referencial del dise�o. Las fracturas podr�an ser tratadas mediante la preparaci�n previa de las superficies y compromete mayores recursos en el mecanizado siempre y cuando la fractura no sea desde la parte interior longitudinal.

Para el estudio de la soldabilidad del material base a reparar se tom� en cuenta el c�lculo referencial m�ximo del carbono equivalente CE-AWS de los casos de estudio ASTM A470 CLASE 8 y ASTM A565 GRADO 616� de 1.05 y 3.41 respectivamente. Lo mencionado destaca una pobre sodabilidad y de acuerdo a las dimensiones del espesor que oscila entre �� a 1 �� y temperaturas de precalentamiento entre 120�C a 250�C. Los electrodos fueron elegidos de acuerdo con la existencia de formaciones microestructurales martensiticas y ferr�ticas que establece el electrodo en el c�lculo del Ni y Cr equivalente, y procurando que se de una dilusi�n referencial del 30% necesarias para que el cord�n resultante se forme en condiciones t�rmicas favorables.

 

 

 

 

Los resultados de la soldadura por

Figura 4. Determinaci�n de cord�n resultante de un relleno o uni�n soldada SMAW en los discos del rotor de turbina de vapor con material ASTM A 470, CLASE 8 y un caso de electrodo para aceros inoxidables duplex.

Elaborado por: Autores

 

Figura 5. Determinaci�n de cord�n resultante de un relleno o uni�n soldada SMAW en los discos del rotor de turbina de vapor con material ASTM A565 GRADO 616� y un caso de electrodo para aceros inoxidables austen�ticos.

Elaborado por: Autores

 

Figura 6. Determinaci�n de cord�n resultante de un relleno o uni�n soldada GTAW en los discos del rotor de turbina de vapor con material ASTM A565 GRADO 616� y un caso de electrodo para aceros inoxidables austen�ticos.

Elaborado por: Autores

 

 

Figura 7. Determinaci�n de cord�n resultante de un relleno o uni�n soldada GTAW en los discos del rotor de turbina de vapor con material ASTM A 470, CLASE 8 y un caso de electrodo para aceros inoxidables duplex.

Elaborado por: Autores

 

La interpretaci�n del estudio de soldabilidad resume que la reparaci�n de los discos de rotores de aceros ASTM A565 GRADO 616 y ASTM A 470 CLASE 8 es favorable acorde al uso de electrodos inoxidable austen�ticos y duplex, debido a que el cord�n result� austeno-ferr�tico, entre el 10% al 40% de ferrita, y sin riesgo de defectos graves durante el proceso de soldeo, a un m�nimo de 30% de diluci�n bajo condiciones t�rmicas de precalentamiento controladas entre el 120�C a 250�C.

De acuerdo con las condiciones de soldabilidad favorables definidas, y con la aplicaci�n de tratamientos t�rmicos progresivos en el margen de la preparaci�n para poder mecanizar las ranuras con fresadoras in situ, se provee obtener interesantes propiedades mec�nicas para el contexto de operacional de turbinas con potencia de trabajo entre 20 MW a 60MW de la siguiente manera:

 

Tabla 2. Propiedades mec�nicas referenciales del material del rotor de turbina de 20.6MW despu�s de la soldadura GTAW con y sin tratamiento t�rmico definido electrodos duplex.

	Especificaciones ASTM A 470, CLASE 8 (Bringas, 2016)	Material base del rotor (Mazur, 1999)		Zona afectada de calor		Soldadura
	Antes de soldar	3 recargues normalizado y maquinado	+ revenido al horno m�x �T	3 recargues normalizado y maquinado	+ revenido al horno m�x �T	3 recargues normalizado y maquinado	+ revenido al horno m�x �T
L�mite de tensi�n (MPa)	725 � 860	780	760	680	672	665	645
Dureza (Hv10)	212 � 235�	204 � 212	202 � 211	232 � 244	242 � 260	210 � 218	234 � 248
Impacto Charpy (J)	8.2	7	18.70	98	117	30	54

 

Tabla 3. Propiedades mec�nicas referenciales del material del rotor de turbina de 20.6MW despu�s de la soldadura SMAW con y sin tratamiento t�rmico definido electrodos austen�ticos.

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Finalmente se puede obtener resultados alentadores en las propiedades de dureza y tenacidad del material, sabiendo que en la Zona Afectada de Calor ZAC se ganar�an los mayores valores con respecto a los obtenidos en el metal base y el cord�n. Al cumplir con los procedimientos a seguir en la reparaci�n, mecanizaci�n efectiva de las ranuras a dimensiones correspondientes al dise�o, con la implementaci�n de bru�ido o recubrimiento met�lico, y el desarrollo de un revenido a m�xima temperatura, se define un incremento l�mite del 16% las propiedades de dureza y tenacidad en las zonas de contacto directo con los �labes. Sin embargo, se puede notar que la mayor�a de los casos intervenidos han respondido con 3 pases de soldadura al tratarse de la recuperaci�n dimensional de la ranura, de tal manera que se deba aliviar las tensiones mediante el recocido para poder llevar a efecto la mecanizaci�n con ciertas limitaciones en el desbaste regular. En el montaje del disco en el rotor se tomando en cuenta la ubicaci�n de los elementos mec�nicos de sujeci�n con el cuidado direccionado en la ubicaci�n, alineaci�n, y balanceo, lo que forma parte del control de resultados obtenidos en la reparaci�n.

 

 

Conclusiones y recomendaciones

Los casos analizados de turbinas de 20.6MW y 60MW hacen notar que su reparaci�n es procedente de forma similar para conseguir un incremento de las propiedades mec�nicas de tenacidad y dureza de 2% al 16% en el resultado general de la reparaci�n, a pesar de que la aplicaci�n de los procesos de soldadura GTAW vs SMAW con electrodos austen�ticos y duplex se notan resultados diferentes en el terminado, tasa de deposici�n y eficiencia. Al realizar al menos tres pases de soldadura con previo calentamiento del metal base se puede notar un incremento de dureza y resistencia al impacto de forma progresiva, por ello se debe realizar el pase caliente para recocido, de tal manera se pueda tener la posibilidad de mecanizarlo sin inconveniente. Para el revenido en horno con temperaturas de 600�C, m�s tratamiento posterior entre 700 y 780�C con enfriamiento en aire, se debe tener en cuenta que el fen�meno de fragilidad el proceso t�rmico puede apareces se es que no se cumple con los tiempos de ejecuci�n, control de los niveles de temperatura en el calentamiento y enfriamiento.

 

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