P91 Tabla PWHT

El acero P91 es un material atractivo para calderas eléctricas y otras aplicaciones de alta temperatura, ya que ofrece excelentes combinaciones de propiedades mecánicas a temperaturas elevadas, como resistencia, resistencia a la fluencia y tenacidad al impacto Charpy.

Estudios recientes han demostrado que diferentes condiciones de normalización y revenido (NT) de soldaduras de acero P91 pueden producir propiedades mecánicas óptimas en la ZAT sin necesidad de tratamiento térmico posterior a la soldadura.

Dureza

El SA 335 grado 91 es un acero martensítico modificado con alto contenido en cromo y molibdeno diseñado para temperaturas elevadas en centrales eléctricas y otras aplicaciones de alto rendimiento, como la soldadura. Presenta una buena resistencia a la fluencia y tenacidad, así como resistencia a la corrosión y soldabilidad; sin embargo, durante la soldadura o el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), su dureza puede disminuir y provocar grietas o fallos prematuros.

Los estudios sobre los efectos de diversos procesos de soldadura, tipos de alambres de relleno y temperaturas de precalentamiento/interpaso en P91 fueron escasos en el pasado; sin embargo, recientemente se ha vuelto más frecuente reparar tuberías de P91 con soldaduras disimilares utilizando procesos de soldadura y metal de relleno similares a los de las soldaduras originales; esto requiere que los niveles de dureza de la ZAT sean inferiores a los de su metal de base; queda por investigar cómo puede lograrse esto dentro de cantidades razonables de tiempo en PWHT.

Algunos proyectos de centrales eléctricas informaron de grietas de tipo IV en la ZAT de sus soldaduras durante el funcionamiento. Estas grietas eran probablemente el resultado de un PWHT insuficiente. Nuestra investigación concluyó que el PWHT a 750 ºC durante dos horas es ideal para reducir la dureza en la ZAT de la soldadura, proporcionando al mismo tiempo una microestructura suficiente y una diferencia de dureza aceptable con el metal base.

Resistencia a la fluencia

La resistencia a la fluencia de p91 mide cuánta tensión puede soportar un material antes de deformarse, y la resistencia a la fluencia depende de factores como el tamaño del grano y la temperatura de funcionamiento, así como de la composición química que influye en las temperaturas de transformación y otras propiedades de su composición.

Para establecer el límite de fluencia de un metal, los diseñadores utilizan una relación entre la tensión de ruptura y su curva de tensión-deformación, extrapolada hasta 100.000 horas, y calculan los índices mínimos de fluencia durante este periodo de tiempo. La tensión de ruptura mide tanto la tensión de ruptura en el punto final como la tensión necesaria para alcanzar este punto: se indica como valores de tensión y tiempo.

El acero martensítico p91 resistente al calor (9Cr-1Mo-V-Nb) se emplea habitualmente en centrales eléctricas de combustibles fósiles para los cabezales de las calderas y otros componentes debido a su excelente resistencia a la corrosión por vapor, baja tasa de expansión térmica, alta conductividad térmica y soldabilidad; sin embargo, se han notificado fallos en servicio de componentes construidos con este metal tras una duración relativamente corta.

Los fallos se producen debido a la reducción de las propiedades de resistencia a la fluencia debido a las áreas de grano fino en la zona afectada por el calor (HAZ).

Resistencia Charpy

El acero P91 es ideal para su uso a largo plazo en componentes de centrales eléctricas que funcionan a altas temperaturas, incluidos los expuestos a fluencia y resistencia a la carga térmica, alta ductilidad y mínima dilatación térmica. Como su resistencia a la oxidación cae por debajo de 610 grados C, sus aplicaciones para la generación de energía se ven limitadas. Además, su escasa tenacidad al impacto limita su uso bajo cargas dinámicas; para mejorar aún más esta propiedad se recomienda un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). La norma DIN EN 288-3 prevé ensayos mecánicos en probetas reales de HAZ de soldadura, en los que la propagación de la grieta a través de cada subzona difiere en función de su microestructura y da lugar a variaciones en la energía de impacto entre ensayos.

Las soldaduras multipasadas por arco metálico protegido de los aceros P91 y P22 producen una tenacidad al impacto deficiente en sus zonas de fusión de soldadura (FGHAZ). Esto se debe a una acumulación de martensita no templada en esta zona debido a una PWHT inadecuada.

Los estudios han demostrado los efectos del nivel de hidrógeno difusible y la duración de la PWHT en las propiedades mecánicas y el gradiente de dureza de las soldaduras. Pandey et al. investigaron el efecto de este factor en la microestructura y las propiedades de tracción de las soldaduras multipasadas de placas de P91 mediante SMAW con cuatro niveles de hidrógeno diferentes, mostrando que un mayor nivel de hidrógeno difusible y una mayor duración del PWHT mejoraban las propiedades de tracción pero disminuían la tenacidad al impacto.

Resistencia a la corrosión

El acero de grado 91 es conocido por su excelente resistencia a la corrosión; sin embargo, la martensita inducida por tensiones y los daños por fluencia pueden provocar la aparición de corrosión. El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) puede ayudar a mitigar estos efectos; sin embargo, este método puede no ser siempre factible o rentable, especialmente durante las reparaciones en servicio.

Como parte de su objetivo de desarrollar procedimientos de reparación de soldaduras para el grado 91 sin PWHT, la investigación llevada a cabo en este proyecto se centró en investigar el comportamiento metalúrgico de los materiales durante los procesos de soldadura y tratamiento térmico, evaluando las microestructuras de las muestras de soldadura y HAZ producidas tras la soldadura; a continuación, se realizaron ensayos mecánicos en soldaduras reales para medir la tenacidad de la HAZ.

También se realizaron comparaciones de diferentes técnicas de soldadura, centrándose en su efecto sobre las temperaturas de precalentamiento/interpass y las corrientes de soldadura. Los electrodos con diámetros similares a los del grado 91 resultaron ser los más adecuados para desarrollar procedimientos de soldadura sin PWHT; el uso de combinaciones de electrodos SMAW de diámetros 3,2 mm (1/8 pulg., primera capa) y 4,0 mm (5/32 pulg., segunda capa) produjo un refinamiento significativo, mientras que el revenido se limitó dentro de las ZAT.

Los tratamientos térmicos posteriores a la soldadura de uniones soldadas con TIG entre aceros P22 y grado 91 utilizando metal de aportación Inconel 625 se realizan mejor a 750 ºC durante 2 horas para obtener un compromiso óptimo entre la dureza de la interfaz y las propiedades del metal de soldadura, manteniendo al mismo tiempo unas propiedades mecánicas elevadas en un amplio espectro de temperaturas.