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Información tecnológica

On-line version ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. vol.16 no.1 La Serena  2005

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642005000100010 

 

Información Tecnológica-Vol. 16 N°1-2005, págs.: 69-73

MATERIALES

Análisis del Comportamiento Mecánico de Recargues de Inoxidable Sobre Acero de Baja Aleación en Reactores de Proceso

Analysis of Mechanical Behavior of Cladding of Stainless Steel over Low Alloyed Steel in Process Reactors

B.Y. Moratilla (1), J.I. Linares (1) y A. Portolés(2)
(1)Universidad Pontificia Comillas de Madrid, Escuela Técnica Superior de Ingeniería – ICAI, c/Alberto Aguilera 23,
28015 Madrid-España (e-mail: ymoratilla@dfc.icai.upco.es ; linares@dfc.icai.upco.es)
(2)Universidad Politécnica de Madrid, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales,
c/ José Gutierrez Abascal 2, 28006 Madrid-España (e-mail: portoles@materials.upm.es)


Resumen

Se realiza un estudio simple de tensiones considerando dos materiales, acero inoxidable y acero de baja aleación. El estudio es motivado porque en la industria petroquímica es práctica habitual, para reducir costes de materiales, utilizar recargues de inoxidable sobre una pared de acero de baja aleación para la construcción de la pared de reactores. Se determina el coeficiente de dilatación térmica y su evolución a lo largo del espesor de la zona afectada térmicamente, usando una probeta extraída durante la construcción de un reactor. Luego se aplican los resultados obtenidos a un modelo de la pared del reactor usando el método de los elementos finitos. Los resultados muestran que el uso del recargue está científica y tecnológicamente justificado.


Abstract

A simple study of tensions was carried out on stainless steel and low alloyed steel. The reason for the study was that a typical practice in the petrochemical industry for materials cost reduction is the use of layers of stainless steel cladding over low alloy steel in the construction of reactor walls. The coefficient of thermal dilatation and its' evolution throughout the thickness of the thermally affected zone was determined using a test sample obtained during the construction of a reactor. Later, the results obtained were applied to a model of the reactor wall using the finite element method. The results suggested that the use of the cladding was scientifically and technologically justified.

Keywords: reactor cladding, stainless steel , low alloy steel, differential stress, finite elements


 

INTRODUCCIÓN

En la construcción de reactores en la industria petroquímica se necesitan espesores de pared muy grandes para soportar las altas temperaturas y presiones a las que están sometidos y al mismo tiempo se requiere que el material en contacto con los fluidos sea un acero inoxidable que en espesores grandes resulta muy caro. Por ello se utiliza la técnica del recargue consistente en depositar mediante soldadura una pequeña cantidad de acero inoxidable sobre una pared de un acero bajo aleado del espesor necesario para soportar los requisitos estructurales.

La realización de estos recargues por soldadura provoca ciclos térmicos diferentes (Kubel, 1986 y Portolés et al., 1993) que conducen a la formación de zonas en la unión con propiedades químicas, físicas y mecánicas diferentes (Johnsson et al., 1987). El coeficiente de dilatación térmica es una de las propiedades que varía de forma continua entre el material base sin afectar y el metal depositado (Portolés, 1997). Esta variación de composición química y de propiedades afecta a la posterior vida en servicio de los componentes sometidos a este tipo de procesos térmicos (Dong et al., 2000).

Para poder dar una justificación científico-tecnológica al empleo de la técnica constructiva de recargues en los reactores utilizados en los procesos petroquímicos, es necesario partir de datos experimentales en la zona en la que se van a producir variaciones en la composición química de los materiales que alteran las propiedades de los mismos como han demostrado Moratilla (2000) y Reina (2003) y puesto que un estudio simplificado del tema considerando la pared del reactor bimetálica conduce a resultados erróneos (tensiones que están en el límite e incluso superan las admisibles de los materiales en estudio) que no se corresponde con los resultados positivos corroborados por la amplia aplicación de esta técnica en la industria petroquímica, se realizarán estudios de los materiales utilizados en un recargue para obtener valores experimentales de las tensiones y poder así compararlas con las tensiones admisibles de cada material concluyendo que la técnica del recargue sí es correctamente utilizada.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Preparación de las muestras

Durante la construcción de un reactor con las características apropiadas para este estudio se obtuvo una probeta de dimensiones irregulares con un material base Cr-Mo, y un acero inoxidable. Dicha probeta se seccionó en cuatro partes, de forma que fuesen réplicas todas ellas de la información buscada (Figura1).

 

Fig. 1: Corte longitudinal de la probeta

 

Con objeto de estudiar la variación del coeficiente de dilatación térmico a lo largo de la zona de dilución de la forma más puntual posible, se diseñó un método de corte sobre las lonchas  de forma que se consiguiese un decalaje de 1 mm entre miniprobetas consecutivamente numeradas tal como muestra la Figura 2.

Obtención de los coeficientes de dilatación.

Para obtener los valores de los coeficientes de dilatación térmica de las muestras extraidas a partir de la probeta en estudio se utilizó un dilatómetro BAHR modelo DIL-802.

 

Fig. 2: Corte de las miniprobetas

 

Para la realización del ensayo se procedió previamente a la calibración del equipo, para lo cual se realizó un análisis dilatométrico absoluto de una muestra patrón de platino.

Los resultados primarios obtenidos experimentalmente fueron el cambio relativo en longitud frente a temperatura en un proceso de calentamiento seguido por otro de enfriamiento efectuados sobre cada probeta. Se realizó un tratamiento de los resultados primarios para determinar el valor del coeficiente de dilatación térmica en función de la temperatura para cada probeta. El proceso de tratamiento de los datos consistió en calcular el coeficiente de dilatación térmica a partir de los resultados primarios mediante la ecuación (1):

 

                                        (1)

 

donde “a” representa el coeficiente de dilatación; “a0” el coeficiente de dilatación del sistema obtenido en la calibración (2.57 x 10-6 K-1); “L” la dilatación de la probeta para cada temperatura ensayada; “L0” la longitud inicial de la probeta y “T” la temperatura.

El cálculo de la derivada anterior se ha realizado mediante diferencias finitas de primer orden a partir de los ficheros de datos suministrados.

La aplicación directa de este procedimiento genera una elevada dispersión en el valor del coeficiente calculado, pues al tratarse de  una derivada las pequeñas fluctuaciones en las medidas resultan amplificadas y contaminan el resultado generando una nube de puntos. Para tratar la nube de puntos obtenida se procede a un proceso de filtrado.

En las Figuras 3 y 4 se muestra el desarrollo del tratamiento de datos partiendo de la dilatación unitaria de la probeta INOX1, obtenida  como explica Moratilla (2000) en su tesis doctoral hasta el resultado del filtrado cada 50 muestras. Este proceso se ha aplicado a cada probeta para obtener la evolución del coeficiente de dilatación térmica.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

A partir de los resultados obtenidos se analiza seguidamente la evolución que experimenta el coeficiente de dilatación en función de la distancia a la unión soldada para diferentes temperaturas. La Figura 5 ilustra  la curva correspondiente a 400ºC.

 

Fig.3: Dilatación unitaria de la probeta INOX1

 

Fig. 4: Aplicación directa de las diferencias finitas a los datos de la Figura 3

 

Fig. 5: Coeficiente de dilatación en la ZAT para 400ºC

 

La figura 6 muestra las tendencias que se extraen de dicha curva. Se aprecia en todas las gráficas una tendencia a la formación de una entalla metalúrgica en el cero de la unión, formándose dos zonas claramente diferenciadas de valores de coeficientes de dilatación medios; los correspondientes a los materiales base puros y una transición entre ambos valores muy brusca en la zona de la ZAT. Este mismo resultado es el que se obtiene en otras propiedades ampliamente estudiadas por Reina (2003).

 

Fig .6: Tendencias en el coeficiente de dilatación a 400ºC.

 

Desde el cero de la unión hacia la zona del acero inoxidable se aprecia que la tendencia es creciente. En el primer recargue la velocidad de enfriamiento es superior a la que se da en los sucesivos debido a que hay una mezcla con el acero al Cr-Mo. En el segundo recargue existe menor dilución y además se enfría por la zona correspondiente al primer recargue, por lo que la velocidad de enfriamiento es menor y por tanto el coeficiente de dilatación térmica sigue una tendencia ascendente. En el tercer recargue se produce el mismo efecto que en el anterior, cada vez con velocidades de enfriamiento menores. La leve tendencia a disminuir al final de la curva se debe al ciclo térmico. Dentro de esta tendencia ascendente existen puntos de inflexión que se corresponden a los ciclos térmicos provocados por los tratamientos térmicos sucesivos sobre los recargues inmediatamente anteriores.Del mismo modo se presentan los resultados obtenidos a 300ºC y 200ºC en las figuras 7 y 8.

A modo de resumen de resultados se muestra en la figura 9 un gráfico en 3 dimensiones que representa la  evolución que experimentan las tensiones en la pared del reactor durante una puesta en marcha del mismo (es decir, partiendo de temperatura ambiente hasta la temperatura de operación de 400ºC) en función de la distancia a la que nos encontremos respecto a la unión soldada.

 

Fig. 7: Tendencias en el coeficiente de dilatación térmica a 300ºC

 

Fig. 8: Tendencias en el coeficiente de dilatación térmica a 200ºC

 

Las tensiones calculadas son sólo las debidas  a la variación del coeficiente de dilatación térmica a lo largo del espesor de la probeta, por lo que se han fijado condiciones de tensión radial nula en diámetros interior y exterior. Desde el punto de vista térmico, las condiciones de contorno han sido de tipo Dirichlet en el diámetro interior y de tipo Neuman en el diámetro exterior. El proceso de calentamiento se ha supuesto lineal con el tiempo, dando un intervalo de 24 horas para alcanzar 400ºC, partiendo de 10ºC. Se ha elaborado un modelo mediante el programa ANSYS y se han introducido como datos los resultados obtenidos previamente de forma experimental para el coeficiente de dilatación térmica y los derivados del código ASME (1998). para el resto de propiedades los resultados obtenidos se muestran en la Figura 10 .

 

Fig 9: Evolución de las tensiones calculadas en la probeta a lo largo de la fase de calentamiento

 

Fig.10: Tensiones de  Von Mises calculadas al cabo de 24 horas de calentamiento para una temperatura de operación de  400ºC

 

CONCLUSIONES

Por lo que respecta a las tensiones calculadas, se concluye que la aplicación de los datos experimentales obtenidos para el coeficiente de dilatación térmica a lo largo de la zona de dilución, produce una atenuación de las mismas. En la Figura 10 puede obsevarse que las tensiones calculadas con la distribución experimental del coeficiente de dilatación no supera los 250 MPa en el caso más desfavorable, mientras que las evaluadas con una distribución escalonada superan los 400 MPa tal como muestran Timoshenko (1984) y Moratilla (2000).

La combinación del uso de datos experimentales junto con su introducción en un modelo de elementos finitos para el análisis de las tensiones de origen térmico de la pared del reactor hace reducir en un 37% las tensiones que se obtendrían utilizando datos teóricos obtenidos del código ASME en modelos bimetálicos.

Las conclusiones presentadas permiten afirmar que se ha obtenido una justificación técnica que apoya el uso del recargue de acero inoxidable sobre aceros bajo aleados como técnica constructiva válida de paredes de reactores de proceso en la industria petroquímica.

 

REFERENCIAS

ASME, ASME boiler and pressure vessel code. II Part D. Properties, ASME. New York (1998)        [ Links ]

Dong, P. y F. W. Brust, Welding residual stresses and effects on fracture in pressure vessel and piping components: A millenium review and beyond, J. Pressure Vessel Technology: 122, 329-338 (2000)        [ Links ]

Johnsson, M., M. Karlsson, y A. Lindgren, Deformation and stresses in butt-welding of largues plates  with special reference to the mechanical properties, J. Eng. Materials and Technology: 107, 263-270 (1987)        [ Links ]

Kubel, E. J., Modeling the weld process, J.  Advanced Materials Processes. Metal Progress: 11, 77-80 (1986)        [ Links ]

Moratilla ,B. Y., Análisis del comportamiento mecánico de recargues e inoxidable sobre aceros de baja aleación en reactores de proceso. Tesis Doctoral, Universidad Pontificia de Comillas, Madrid (2000)        [ Links ]

Portolés, A., J. R. Ibars, A. Moreno y C. Ranninger, Cálculo de tensiones residuales en uniones soldadas por arco eléctrico, Revista de Soldadura y Tecnologías de Unión: 47, 9-13 (1997)        [ Links ]

Portolés, A., A. Moreno y C. Ranninger, Análisis térmico durante la realización de una unión soldada, Revista de Soldadura y Tecnologías de Unión: 21, 28-32 (1993)        [ Links ]

Reina, M., Soldadura de los aceros. Aplicaciones, .4ª Edición. Weld-Works S. L. (2003)        [ Links ]

Timoshenko, S., Resistencia de Materiales. Tomo II, 11ª edición. Espasa Calpe, Madrid (1984).        [ Links ]

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