Estudio del efecto del tratamiento térmico en las repetidas reparaciones por soldadura sobre la dureza, resistencia al impacto y microestructura en tuberías de acero aleado ASTM A335 grado P5

Abstract

Los aceros aleados ferríticos ASTM A335 son ampliamente utilizados en la industria petroquímica y plantas de energía, debido a su adecuada resistencia mecánica (-29°C a 593°C con presiones de 105.5 kg/cm2 [10.4 MPa] y 13.4 kg/cm2 [1.3 MPa] respectivamente [1]) y resistencia a la corrosión frente a los aceites crudos que contienen sulfuro de hidrogeno y otros agentes corrosivos [2] y [3]. Los aceros ASTM A335 Gr. P5, son usados como tuberías para vapor, intercambiadores de calor, condensadores y catalizadores [3].

Al soldar, reparar o deformar los aceros ASTM A335 Gr. P5, las transformaciones microestructurales y las tensiones internas residuales pueden reducir la fiabilidad y durabilidad de la tubería en servicio; con el fin de reducir la influencia de tales transformaciones microestructurales y tensiones internas, se realiza la operación de tratamiento térmico, tal como lo especifican los códigos de construcción (ASME B31.3 [4], ASME B31.1 [5] y Welding Procedure GP 18-07-01 [6]).

En la presente tesis se realizó la soldadura de cupones simulando las repetidas reparaciones en donde se varió las condiciones (configuraciones) del tratamiento térmico con el objetivo de obtener valores de dureza y energía absorbida mediante el ensayo Charpy V que cumplan con los requerimientos de los códigos de construcción, además que la microestructura obtenida sea aceptable; otro de los objetivos es determinar la variación de dureza, resistencia al impacto y microestructura simulando las repetidas reparaciones desde la primera hasta la cuarta reparación con la mejor condición (configuración) de tratamiento térmico obtenida.

La metodología seguida fue la siguiente: PRIMERO, se caracterizó el metal base en estado virgen (o suministro); SEGUNDO, se determinó de acuerdo a la revisión del estado del arte el óptimo valor del parámetro “P” del PWHT de las uniones soldadas del acero ASTM A335 Gr. P5, este parámetro fue seleccionado buscando los mayores valores de resistencia al impacto; TERCERO, se elaboró la Especificación del Procedimiento de Soldadura (WPStesis), las variables de soldadura de este WPStesis no fueron utilizadas para los tratamientos térmicos, ya que cada tratamiento térmico tiene una condición (configuración) especifica; CUARTO, se realizó la soldadura de un cupón utilizando las variables del WPStesis y el óptimo valor del parámetro “P” obtenido, después se realizaron los ensayos de Dureza, Impacto Charpy V y Análisis de la Microestructura con la finalidad de que los valores obtenidos sean razonablemente comparables con los valores obtenidos en estudios anteriores, y sirvan de comparación con los valores obtenidos en la soldadura de cupones simulando las repetidas reparaciones; QUINTO, se soldaron cupones simulando tres y cuatro reparaciones utilizando las variables del WPStesis con cuatro condiciones (configuraciones) diferentes de tratamiento térmico, antes de tales reparaciones, los cupones fueron soldados utilizando las variables del WPStesis con el parámetro “P” = 20.26; SEXTO, se realizó la soldadura de los cupones simulando las repetidas reparaciones desde la primera hasta la cuarta reparación utilizando las variables del WPStesis con la mejor condición (configuración) del tratamiento térmico obtenida.

Los resultados de los valores de dureza y resistencia al impacto de los cupones soldados con tres y cuatro reparaciones son cercanos entre sí, y sus microestructuras son similares; el análisis de los efectos de las configuraciones de tratamiento térmico son: con parámetro “P” = 20.26, han disminuido en promedio en -9% (ZAC) y 8% (ZAC) la dureza y resistencia al impacto respectivamente con respecto al “cupón soldado sin reparación”; con parámetro “P” = 21.79, han disminuido en -34% (ZAC) y -34% (MA) en dureza y resistencia al impacto respectivamente con respecto al “cupón soldado sin reparación”; con PWHT a 950°C por 2h, han disminuido en promedio en -27% (ZAC) y -96% (MA) en dureza y resistencia al impacto respectivamente con respecto al “cupón soldado sin reparación”, además su microestructura presenta los mayores tamaños de grano de ferrita y colonias de carburos coagulados en los bordes de grano; con tratamiento térmico antes (950°C por 2h) y después (725°C por 2h) de la soldadura, han variado en promedio en -9% (ZAC) y +21% (ZAC) en dureza y resistencia al impacto respectivamente con respecto al “cupón soldado sin reparación”, además la dureza ha disminuido en -25% en el MB.

Los resultados y análisis de los valores de dureza y resistencia al impacto de los cupones soldados desde la primera hasta la cuarta reparación con PWHT con la mejor condición (configuración) del tratamiento térmico obtenido en el párrafo anterior, son: la máxima disminución en promedio de dureza es -13% (ZAC) en la cuarta reparación, y la máxima disminución en promedio en resistencia al impacto es – 12% en la segunda reparación.

Se concluye que la configuración optima del tratamiento térmico para las juntas soldadas con tres y cuatro reparaciones del acero ASTM A335 Gr. P5 es cuando presenta un PWHT con parámetro “P” = 20.26, ya que presenta disminuciones pequeñas en la dureza y resistencia al impacto, además la microestructura es favorable ya que presenta principalmente una matriz de ferrita con carburos dispersos aleatoriamente. Otra conclusión es que la configuración del tratamiento térmico paras las juntas soldadas reparadas antes (950°C por 2h) y después (725°c por 2h) de la soldadura es aceptable, ya que los valores de dureza, resistencia al impacto y microestructura son cercanos a lo obtenido en el “cupón soldado sin reparar”, sin embargo, se requiere mayores recursos y tiempo para ejecutar los tratamientos térmico antes y después de la soldadura. Otra conclusión es que la configuración del PWHT para las juntas soldadas reparadas con parámetro “P” = 21.79 no es aceptable, ya que la dureza y la resistencia al impacto presentan disminuciones considerables. Otra conclusión es que la configuración del PWHT para las juntas soldadas reparadas a 950°C por 2h no es aceptable, ya que la dureza y la resistencia al impacto presentan disminuciones severas, además su microestructura es frágil debido al incremento en el tamaño de grano y los carburos coagulados en los bordes de grano.

Además, se concluye se concluye que las juntas soldadas reparadas del acero ASTM A335 Gr. P5, pueden ser reparadas hasta cuatro veces, con PWHT con parámetro “P” = 20.26 aplicado desde la primera hasta la cuarta reparación, debido a que no se obtuvo disminuciones severas en la dureza, resistencia al impacto y microestructura comparado con los resultados obtenidos en el “cupón soldado sin reparar”.