UNIVERSIDAD LIBRE DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA POSTGRADO EN SOLDADURAS
Metalurgia de las uniones soldadas. EL AGRIETAMIENTO INDUCIDO POR HIDRÓGENO O AGRIETAMIENTO EN FRIO PRESENTE EN SOLDADURAS
Por: CRISTHIAN CAMILO QUIROGA WALTEROS
Tutor: Ing. ANDRES RENGIFO FERNANDEZ
Bogotá 15 de noviembre del 2014.
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EL AGRIETAMIENTO INDUCIDO POR HIDRÓGENO O AGRIETAMIENTO EN FRIO PRESENTE EN SOLDADURAS
RESUMEN: El agrietamiento inducido o asistido por hidrógeno (HIC) en soldaduras por fusión de aceros ferríticos se presenta siempre y cuando existan simultáneamente los siguientes factores: un nivel crítico de concentración de hidrógeno, un nivel crítico de esfuerzos de tracción y una microestructura susceptible, normalmente martensita. El mecanismo de nucleación y crecimiento de este tipo de grietas se explica por el efecto fragilizante que tiene el hidrógeno en el acero, por su alta rata de difusión y por la existencia de zonas con esfuerzos triaxiales máximos en el frente de una entalla o concentrador de esfuerzos. La ubicación de estas grietas, es decir si se presentan en el metal fundido o en la zona afectada por el calor (ZAC), se explica a través de las diferencias que presenta el acero en estado austenitico (estructura cúbica de cara centrada) y en estado ferrítico (cúbico de cuerpo centrado) en cuanto a la solubilidad y difusividad de hidrógeno atómico, para lo cual la templabilidad relativa entre el metal base y el metal fundido se convierten en los factores fundamentales para poder predecir su localización en uniones soldadas. 1 PALABRAS CLAVES: Agrietamiento inducido por hidrógeno (HIC), zona afectada por el calor (ZAC), fragilización. ABSTRACT: Hydrogen induced or assisted cracking (HIC) in fusion welds on ferritic steels is associated with the combined effects of the following variables: presence of a critical concentration of hydrogen, a critical level of tensile stresses and a susceptible microstructure, usually martensite. Incubation and growth mechanism for this kind of cracking is explained by the hydrogen embrittlement of steels, the very high diffusion rate of hydrogen into the steel and the existence of a maximun triaxial stress state in front of a notch or stress increaser. The location of these cracks, in the weld metal or in the heat affected zone (HAZ), is explained by the differences on atomic hydrogen solubility and diffusivity between austenitic steel (face-centered cubic) and ferritic steel (body-centered cubic); the relative hardenability among parent metal and weld metal is the basis for a correct prediction of the HIC location in welded joints. KEYWORDS: Hydrogen induced cracking (HIC), heat affected zone (HAZ), embrittlement.
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Agrietamiento inducido por el hidrogeno en soldaduras de acero, Proyecto de grado UN de Colombia, Medellín – Por Jorge Enrique Giraldo – Cesar Augusto Chaves 21/01/02 (Base de datos d el Proquest)
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1. INTRODUCCION LA SOLDADURA COMO TRATAMIENTO TERMICO.2 Soldar, es llevar los bordes de las partes a ser unidas hasta el punto de fusión adicionándole o no un metal de aporte y luego permitir al conjunto enfriarse hasta Temperatura ambiente. Lo más relevante de este proceso es sin duda el calentamiento localizado seguido de enfriamiento que produce en las piezas soldadas una serie de EFECTOS INDESEABLES. Las velocidades de calentamiento y enfriamiento son elevadas. La velocidad máxima alcanza los 300°C /seg, durante el calentamiento y/o enfriamiento a un nivel de temperatura de 1000°C, reduciéndose al disminuir la temperatura a valores de 6°C / seg, a 550°C. La Velocidad de enfriamiento en el centro del cordón de soldadura puede aproximarse con la siguiente fórmula:
Ve: Velocidad de enfriamiento en el centro del cordón de soldadura K: Conductividad térmica del metal (Joule/ m seg. °C) K acero 0,2% C, 0,6% Mn: 0,028 K cobre: 0,20 K aluminio: 0,12 To: Temperatura inicial del metal base (T de precalentamiento) Tc: Temperatura a la cual se calcula la velocidad de enfriamiento H Input: Heat Input o Calor Aportado (J / mm) En el proceso de Welding, se presentan por lo general tres efectos indeseables del ciclo térmico de soldadura, los cuales son: Generación de Tensiones Residuales y/o distorsión Modificación de la Estructura Metalográfica Absorción de gases por el metal fundido. Para comprender mejor las consecuencias del agrietamiento o fisuracion inducida por hidrogeno se debe comprender por qué se origina este fenómeno, la absorción de gases por la soldadura es un problema frecuente que se presenta en procedimientos de Welding, sobretodo en procesos donde la coalescencia se origina por procesos de Arc Welding. Uno de los Problemas más importantes a tener en cuenta cuando se estudian los Efectos Indeseables del proceso de Soldadura es la Absorción de Gases por el Metal Fundido. Cualquiera que sea el procedimiento de Fusión, en el acero líquido se fijan cantidades más o menos importantes de los gases del aire (Oxigeno y Nitrógeno) y de los productos de descomposición del revestimiento, principalmente Hidrógeno procedente de la humedad o del agua de cristalización de ciertas substancias químicas.
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Texto curso de inspectores de soldadura – IAS TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA, Sec 2 – Cap 5.
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El Oxígeno puede presentarse disuelto o formando óxido de hierro o combinado con otros óxidos. En estado disuelto puede influir sobre las propiedades mecánicas de la Solución Sólida Ferrita; en estado de óxido influye por la presencia de inclusiones en la tenacidad y estricción del metal de soldadura. El Nitrógeno origina al nitruro de hierro Fe4N en forma de agujas que también influye en la tenacidad. Cuando el Nitrógeno se encuentra disuelto produce el envejecimiento del acero con la correspondiente falta de plasticidad. Pero el verdadero problema y mucho más grave es que durante la Soldadura el acero también absorbe Hidrógeno, lo mismo que absorbe oxígeno y nitrógeno. Las Soldaduras oxiacetilénicas por 100g de metal); La concentración de hidrógeno en contienen muy poco hidrógeno (2 a 3 las soldaduras por arco es, por el contrario mucho más importante y puede llegar a alcanzar el por 100g de metal) según sea la límite de solubilidad de este gas en el metal líquido (28 naturaleza del revestimiento. El hidrógeno es la causa de la formación de Microfisuras, sopladuras y es el formador de los Fish-eyes.3
El agrietamiento inducido por hidrogeno (HIC), es un agrietamiento que se puede presentar después de haberse depositado la soldadura, inclusive se puede presentar ya pasadas semanas, por ello este defecto puede ser bien llamado un agrietamiento producido en frio, porque se presenta en temperaturas ambiente afectando las uniones soldadas por fusión de aceros ferriticos, esta aclaración se hace porque en algunos aceros inoxidables (el caso del acero austenitico serie 300) no suele sufrir de este fenómeno a menos que hayan sido trabajados en frio. La existencia simultánea de los siguientes factores pueden ocasionar el agrietamiento inducido por hidrogeno: Nivel critico de concentración de Hidrogeno. Nivel critico de esfuerzos de tracción. Microestructura susceptible, normalmente martensita.
2. DEFINICION DEL PROBLEMA. EL PORQUE DEL ORIGEN Y CRECIMIENTO DE GRIETAS. Es una propiedad del hidrogeno que tenga un efecto fragilizante en el acero por su alta rata de difusión, El agrietamiento inducido o asistido por hidrógeno también se conoce con los nombres de agrietamiento en frío, agrietamiento retardado o agrietamiento debajo del cordón. Este tipo de grietas ocurren a menudo algún tiempo después de que se completa la soldadura, sin embargo los factores que generan el problema provienen de la etapa de fabricación dependiendo del procedimiento de soldadura que se utilice. El HIC en elementos soldados de acero está asociado con la existencia simultánea de los siguientes tres factores: (1) presencia de hidrógeno, (2) esfuerzos de tracción y (3) una microestructura susceptible, normalmente martensita; un 3
Metalurgia de la soldadura, Cap V. Daniel Seferian. Madrid 1962.
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cuarto factor mencionado con frecuencia es la temperatura de formación la cual está por debajo de los 200°C.4 El que este fenómeno de falla esté íntimamente relacionado con la presencia de un cierto nivel de concentración de hidrógeno no debe resultar extraño debido a que este elemento tiene una potente influencia fragilizadora en el acero tal como se ha demostrado por la experiencia y las numerosas investigaciones que se han efectuado al respecto hace más de un siglo. La presencia de hidrógeno en solución supersaturada en el acero está asociada con la fragilización de la ferrita y de la martensita; la fragilización de la ferrita es la causante de la formación de “ojos de pescado” durante los ensayos de tracción cuasiestáticos o con las “sombras blancas” en la aplicación de
cargas cíclicas; la fragilización de la martensita es el fundamento del agrietamiento en frío de las soldaduras.5
3. CRECIMIENTO DE GRIETAS EN FRIO. 3.1. El hidrógeno en el hierro y el acero. El hidrógeno atómico puede ser introducido en los aceros de varias maneras, como por ejemplo en el proceso de tratamientos superficiales, tales como decapados con ácidos o electroplateado, durante un tratamiento térmico, durante la soldadura, etc. En el caso de la soldadura, el hidrógeno se introduce ya que el arco eléctrico es capaz de disociar el hidrógeno gaseoso (H2) o los compuestos basados en hidrógeno (como el agua o el vapor de agua) que puedan estar presentes en la atmósfera o en los fundentes de los consumibles de soldadura; la disociación de estos compuestos en hidrógeno atómico facilita que el metal fundido absorba cierta cantidad de este elemento de una manera proporcional a su concentración en la atmósfera del arco. La rápida rata de difusión de los átomos de hidrógeno en la matriz de hierro alfa (cúbico de cuerpo centrado) a temperatura ambiente se explica por la diferencia en el tamaño atómico de estos elementos: el diámetro atómico del hidrógeno es 1Å mientras el del hierro es de 2,58Å. Lo anterior implica que el hidrógeno entra en solución sólida intersticial en el hierro, tal como lo hacen el nitrógeno y el carbono (con diámetros de 1,4Å y 1,54Å, respectivamente), pero debido a su tamaño relativo a los espacios intersticiales de la celda y, por consiguiente, a la poca deformación que induce, el movimiento del hidrógeno dentro de la red cristalina se vuelve más sencillo que el presentado por los demás elementos. La fuerza impulsora para la difusión del hidrógeno en el acero puede ser debida fundamentalmente a un gradiente de composición de hidrógeno, un estado de esfuerzos no uniforme o una combinación de ambos. El agrietamiento retardado puede ocurrir en un amplio intervalo de esfuerzos aplicados y, a partir de los datos obtenidos de pruebas de laboratorio con cargas sostenidas, se puede
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Interrante and Stout, Welding Journal Abril 1964 – Articulo base de datos Proquest. Agrietamiento inducido por el hidrogeno en soldaduras de acero, Proyecto de grado UN de Colombia, Medellín – Por Jorge Enrique Giraldo – Cesar Augusto Chaves 21/01/02 (Base de datos del Proquest) 5
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afirmar que el comportamiento de aceros fragilizados con hidrógeno depende del nivel de esfuerzos, del tiempo y de la temperatura como se ilustra en la Figura 1.6
Figura 1. Curva de agrietamiento inducido por hidrógeno (agrietamiento retardado) o curva de fatiga estática.7
3.2. Efectos de las grietas en frio inducidas por Hidrogeno. Zonas de triaxialidad de esfuerzos y propagación de grietas: Cuando se aplica un esfuerzo unidireccional en un material que contenga una entalla, se generan dos esfuerzos transversales adicionales al esfuerzo longitudinal aplicado que no son uniformes en los límites de la entalla existente, tal como se ilustra en la Figura 2, y producen un estado triaxial de esfuerzos que se vuelve máximo en un punto más allá del borde de la entalla; la magnitud de estos esfuerzos dependerá de la agudeza de la entalla, siendo menos crítica para el caso de discontinuidades de forma esférica (como un poro o una inclusión de escoria) que para el caso de una planar (como una grieta o una falta de fusión). A partir del desarrollo de una teoría de esfuerzos triaxiales,8 la cual asume que la fragilización se ocasiona por la concentración de hidrógeno cerca de estas entallas. Su teoría predice que en la región de máximos esfuerzos triaxiales cerca de una cavidad o de un incrementador de esfuerzos, se encontrará una concentración de hidrógeno atómico en solución que excede el nivel en equilibrio de los alrededores. Esta concentración de hidrógeno en la entalla es inocua; se requiere de una cantidad crítica de esfuerzos para causar que este hidrógeno sea perjudicial. La fuerza impulsora para la difusión de hidrógeno dentro de esta región es inducida por el gradiente de esfuerzos creado por la zona de esfuerzos triaxiales, lo cual sugiere que se necesita de un estado de esfuerzos no uniforme para la formación de grietas 6-7
EL AGRIETAMIENTO INDUCIDO POR HIDRÓGENO EN SOLDADURAS DE ACERO – Articulo Internet. Jorge Enrique Giraldo – Cesar Chaves. U. Nacional de Colombia, Medellín. 8
Articulo de internet – Troiano, A. The role of hydrogen and other intersticials in the mechanical behavior of metals. ASM Transactions. 1960. base de datos de Pearson.
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inducidas por hidrógeno. El crecimiento de la grieta ocurre cuando el hidrógeno alcanza una concentración crítica en la zona de máximos esfuerzos triaxiales que posibilita que la grieta se incremente hasta esta zona; se interrumpe el crecimiento de la grieta momentáneamente hasta que el hidrógeno vuelva a viajar por difusión al frente de la grieta expandida hasta alcanzarse nuevamente, una concentración de hidrógeno crítica. La propagación de la grieta se da por la repetición sucesiva de este mecanismo después de que el hidrógeno pasa por difusión al frente de la grieta y alcanza nuevamente una concentración crítica, lo cual hace que la característica de propagación de estas grietas sea discontinua. Un método para estudiar la fragilización por hidrógeno es cargar probetas entalladas con una cantidad conocida de hidrógeno, someterlas a diferentes esfuerzos (cada probeta a esfuerzo constante) en una máquina que les induzca una carga continua y determinar el tiempo para la falla. Si se grafica la variación del esfuerzo aplicado con el tiempo para la fractura de un material con cierta concentración de hidrógeno se obtiene una curva similar a la ilustrada en la Figura 1. Observe que en la curva existen: el esfuerzo crítico superior por encima del cual la falla es inmediata, el esfuerzo crítico inferior por debajo del cual no existirá falla a pesar del tiempo de aplicación de la carga y una región central donde el tiempo para la falla se hace menor cuando mayor es el esfuerzo aplicado. La similitud de la curva de agrietamiento retardado con las curvas de fatiga Esfuerzo-Número de ciclos (S-N) ha llevado a que se emplee el término de “fatiga estática” para referirse al fenómeno de grietas asistidas por
hidrógeno. 9
Figura 2. Distribución de esfuerzos triaxiales alrededor de una entalla o concentrador de esfuerzos (Dieter, 1988). 10
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- Articulo de internet – Dieter, George E. Mechanical Metallurgy. 1988.
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3.3. Condiciones para que se origine una fisuracion inducida por Hidrogeno (HIC).11 Este tipo de fisuración tiene lugar si se presentan simultáneamente las siguientes condiciones: -
Una Concentración de Hidrógeno Crítica. Tensiones de Tracción Elevadas. Una Microestructura Susceptible. Una Temperatura entre -100°C y + 200°C.
3.3.1. Formación: El hidrógeno atómico debe considerarse un verdadero veneno de los Aceros Ferríticos (Los Inoxidables Austeniticos, serie 300 no sufren HIC, salvo cuando están deformados en frío). Puede difundir a través de la Estructura Cristalina del Acero debido a su pequeño diámetro atómico recombinándose a hidrogeno molecular en espacios vacíos tales como exfoliaciones o inclusiones, formando ampollas a veces de hasta un (1) metro de diámetro en chapas relativamente finas (19mm). Puede quedar algo de hidrogeno en forma atómica anclando dislocaciones y reduciendo la ductilidad. Peor aun puede producir fisuras en zonas de alta dureza tales como metal de soldadura, ZAC y puntos duros. A este proceso se le denomina Fisuración Inducida por Hidrógeno (HIC). Esta recombinación acumula moléculas de hidrógeno en forma gaseosa desarrollando presiones suficientemente altas para romper enlaces atómicos y generar fisuras si la microestructura no es plástica. Las presiones generadas se calculan teóricamente (en forma aproximada) y llegan a valores de 105(cien mil) Atm. En el caso del Nitrógeno estos mismos cálculos dan valores de 4 Atm. De lo anterior surge la peligrosidad del Hidrógeno frente al Nitrógeno o cualquier otro gas. Cantidades tan pequeñas como 0,0001 % ( ) en peso pueden producir fisuras en el acero. 12
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Texto de internet, Curso de inspectores de soldadura IAS – TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA. Termo Soldex S.A. Bs.As. Arg. 12 Texto de internet, Curso de inspectores de soldadura IAS – TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA. Termo Soldex S.A. Bs.As. Arg. – Capitulo 6, numeral 6.1.1.
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Figura 3. La resistencia de un acero entallado conteniendo hidrógeno pasa por un mínimo cerca de Temperatura ambiente.
4. ACEROS RESISTENTES A LA PENETRACION DE HIDROGENO. Dentro de los materiales mas usados en la industria petroquímica se encuentran los aceros Resistentes a la Penetración de Hidrógeno, aleados al CrMo lo que le proporciona al acero las siguientes propiedades: En general estos aceros deben trabajar a altas temperaturas y por lo tanto tienen propiedades refractarias. Deben resistir la Corrosión a Altas Temperaturas, el Creep, La Fatiga Térmica y por último deben tener Resistencia a la Penetración de Hidrógeno, propiedad que logran gracias a la película de oxido de Cromo impermeable a este tipo de contaminante. Por otra parte como el Carburo de Cr es menos fácil de disociar que el CFe3 no se descompone en C y Cr. Pues el C podría asociarse con el Hidrógeno para formar Metano y de esta manera se produciría poros y descarburación del acero (Hydrogen Attack). La presencia de Molibdeno (Mo) además de mejorar la resistencia al Creep es para evitar la fragilidad de Revenido (una forma de fragilidad que tiene lugar cuando un acero templado es calentado o cruza lentamente el rango de temperaturas de 500 / 550°C), Tratamiento Térmico utilizado como TTPS de estos aceros para disminuir la dureza de la ZAC y metal de aporte.13
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Texto de internet, Curso de inspectores de soldadura IAS – TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA. Termo Soldex S.A. Bs.As. Arg. – Capitulo 6, numeral 6.1.2.
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5. TRATAMIENTOS TERMICOS PARA PREVENIR EL AGRIETAMIENTO INDUCIDO POR HIDROGENO.14 Con todo lo que puede salir mal en una soldadura, una juiciosa aplicación de un tratamiento térmico puede influir mas que cualquier otro factor para obtener juntas sanas y sin efectos indeseables. 5.1. Tratamientos usuales de soldadura. Tratamiento térmico antes de la soldadura.
5.1.1. Deshidrogenado “Hidrogen bake out”: El único calentamiento que puede realizarse antes de la Soldadura es el llamado Deshidrogenado (baking, ó Bake - out en Ingles). Tiene como objetivo remover del material a ser soldado el hidrógeno que pudiese haber quedado debido al efecto contaminante, en servicio, de substancias que generan hidrógeno atómico ya que los equipos que han estado en presencia de Hidrógeno atómico son susceptibles de fisurarse durante su reparación por Soldadura. La causa es la presencia de Hidrogeno atómico en el material base, y es imperativo eliminarlo antes de soldar. Este gas, en forma atómica, penetra en el acero causando Fisuración, porosidad, empolladuras y pérdida de ductilidad. Con el paso del tiempo, el Hidrógeno atómico difunde en el retículo cristalino del acero recombinándose a hidrogeno molecular en espacios vacíos tales como exfoliaciones o inclusiones, formando excepcionalmente ampollas de hasta un (1) metro de diámetro en chapas relativamente finas (19mm). Puede quedar algo de hidrogeno en forma atómica anclando dislocaciones y reduciendo la ductilidad. Peor aun puede producir fisuras en zonas de alta dureza tales como metal de soldadura, ZAC y puntos duros. A este proceso se le denomina Fisuración Inducida por Hidrógeno (HIC).
¿Por qué aplicar un Deshidrogenado antes de aplicar la soldadura? Las piezas que han estado en presencia de Hidrogeno atómico son susceptibles de fisurarse durante su reparación por soldadura. La causa es la presencia de Hidrogeno atómico en el material base. Este gas, en forma atómica, penetra en el acero causando fisuración, porosidad, empolladuras y perdida de ductilidad. Un caso particular es la presencia de ácido sulfhídrico (H2S), que acelera la entrada de Hidrógeno y aumenta la actividad de hidrogeno atómico. El resultado es a veces mal llamado Corrosión Bajo Tensión por ácido sulfhídrico porque en realidad es una forma de HIC.
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Texto de internet, Curso de inspectores de soldadura IAS – TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA. Termo Soldex S.A. Bs.As. Arg. – Capitulo 6, Seccion III.
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Problemas a corregir cuando se aplica un deshidrogenado en el metal base.15 1. La fragilización por Hidrogeno de aceros Ferriticos ocurre solo a bajas Temperaturas, cercanas a la temperatura ambiente. Es posible evitar la Fisuración en microestructuras duras manteniéndolas un tiempo a suficientemente alta Temperatura, ya sea para permitir al hidrogeno difundir fuera del material y/o para que la microestructura se ablande por revenido. Este principio se emplea en soldaduras multipasadas y en TTPS. 2. Otro problema que puede producir el Hidrogeno es a alta temperatura, se denomina Ataque por hidrogeno (Hydrogen Attack) y ocurre cuando el hidrogeno atómico reacciona con el carbono de los carburos produciendo burbujas de metano. Las consecuencias son, pérdida de resistencia mecánica por descarburación del acero y la generación de sopladuras o poros con Metano. Este problema puede ocurrir en Servicio a altas temperaturas de equipos de procesamiento de petróleo o cuando se deshidrogena a Temperaturas demasiado elevadas (>250ºC). Fuentes usuales de hidrogeno atómico son: · Reacciones de diversos procesos químicos · Adición de Hidrógeno con propósitos varios · Presencia de Hidrógeno atómico en el producto. · Aplicación de recubrimientos Electrolíticos · Procesos de Limpieza Química de óxidos. (Pickling) · Protección Catódica · Eventual descomposición de la Humedad. 3. Un caso particular es la presencia de ácido sulfhídrico (H2S), que acelera la entrada de Hidrógeno y aumenta la actividad de Hidrogeno atómico. El resultado es a veces mal llamado Corrosión Bajo Tensión por ácido sulfhídrico porque en realidad es una forma de HIC. La Asociación de Ingenieros de Corrosión (NACE), norma MR-01-75, "Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Materials for oíl field equipment", establece que para evitar HIC la dureza tanto del Material Base como el material de Aporte y ZAC no debe superar los RC 22.
5.1.2. Temperaturas de deshidrogenado. Las temperaturas corrientes de Deshidrogenado no están tan acotadas como las de los tratamientos térmicos post soldadura y suelen variar entre 150°C y 450°C aunque las temperaturas más apropiadas rondan los 200°C – 250°C. Un incremento en la Temperatura por encima de la Temperatura ambiente incrementa la velocidad de difusión del hidrógeno y de esa manera se acelera su remoción de la soldadura. Este 15
Texto de internet, Curso de inspectores de soldadura IAS – TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA. Termo Soldex S.A. Bs.As. Arg. – Capitulo 6, Seccion III.
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efecto es particularmente marcado en el rango de 20°C a 150°C. Por encima de los 150°C la velocidad de difusión sigue aumentando pero a un ritmo menor. Figura 4. Para elegir la Temperatura de Deshidrogenado hay que tener en cuenta los siguientes factores: 1. Debe ser superior a 200ºC ya que por encima de esa temperatura todo el Hidrógeno es atómico, condición necesaria para su difusión. 2. El aumento de la velocidad de difusión por encima de los 150°C no es tan importante como por debajo de 150°C 3. Si bien existe la tentación de realizar deshidrogenados a temperaturas superiores para maximizar la velocidad de difusión (450°C a 650°C) debe tenerse en cuenta que a temperaturas superiores a 200°C /250°C el hidrogeno atómico puede reaccionar con los carburos (especia lmente con carburos simples de Hierro y menos probablemente con carburos de Cromo) con el doble perjuicio de decarburar el acero disminuyendo su resistencia mecánica y de formar burbujas de metano (CH4). Este tipo de falla se lo denomina Ataque por Hidrogeno (Hydrogen Attack) y también suele ocurrir en servicio a alta temperatura de equipos de Refinerías de Petróleo. 4. La solubilidad del Hidrogeno en el hierro aumenta con la temperatura y por lo tanto a altas temperaturas el hierro disuelve en equilibrio mas Hidrogeno que a bajas temperaturas de esa manera quedaría mas hidrogeno en la red de hierro que realizando el deshidrogenado a mas bajas temperaturas, además a altas temperaturas la fuerza impulsora (debida a la sobresaturación) para expulsar al hidrogeno es menor. Este factor no ha sido comprobado experimentalmente por lo que la formación de Metano por Ataque por Hidrogeno (Hydrogen ttack) es el mas tenido en cuenta.
Figura 4. La Velocidad de difusión del Hidrógeno en acero Ferritico disminuye por encima de los 150°C
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5.1.3. Tiempos de dehidrogenado.16 La remoción del hidrógeno de los metales esta controlada por el fenómeno de Difusión que obedece a la segunda ley de Fick descripta matemáticamente por:
⁄ (⁄ ) donde C es la concentración del elemento que difunde, en nuestro caso Hidrogeno, t es el tiempo, x es la distancia que se mueven los átomos de Hidrogeno y D es el coeficiente de Difusión que depende del radio atómico del material que difunde (H), el tipo de mecanismo de Difusión, las características del medio(Acero o el material que corresponda) donde se realiza la Difusión, por ejemplo temperatura de fusión, estructura cristalográfica, cantidad y calidad de los aleantes, y Fundamentalmente la Temperatura (A mayor Temperatura mayor movilidad atómica y mayor coeficiente de Difusión. Esta ley describe la relación entre la concentración de Hidrógeno en el Acero, el tiempo y su distribución espacial. Es interesante reconocer que este mismo tipo de ecuación describe el flujo de calor y la distribución de Temperaturas en un sólido que se enfría. El tiempo aparece en la expresión adimensional Dt/L2, donde D es el coeficiente de difusión para la temperatura y material en consideración y L es la dimensión determinante del sólido que puede ser el semiespesor de una chapa, barra o cubo, en el caso donde se presenten geometrías circulares el radio para las formas cilíndricas. Esta expresión debe ser adimensional por lo que como el factor D esta expresado en debe cuidarse que las unidades de t y L sean las apropiadas. cm²/
Los valores de tiempo para tratamientos a temperaturas del orden de 250ºC de chapas con espesores de 40mm para una reducción del contenido de Hidrógeno del 50% es de alrededor de 8 horas, esto se comenta por que la mayoría de las veces los tratamientos de deshidrogenado se realizan a las temperaturas correctas pero con tiempos menores a los prescriptos. A veces se realiza un deshidrogenado de tres o cuatro horas a bajas temperaturas (250ºC) para remover parte del hidrógeno y luego un deshidrogenado a 600ºC. Esto se realiza de esta manera ya que a alta temperatura (600ºC) podría formarse algo de metano (Ataque por Hidrógeno) si no le hubiéramos retirado algo de Hidrógeno a mas baja temperatura.
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WELDING STEELS WITHOUT HIDROGEN CRACKING – Editado por: The Welding institute.
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Tabla 1. Estimación del porcentaje del original de Hidrógeno remanente en el centro de una Soldadura de L=20 mm después de varios tipos de Tratamiento de Deshidrogenado.
5.2. Tratamientos usuales durante la soldadura – Precalentamiento “Preheat”. Existen algunos puntos básicos para precalentar el metal base: 1. El precalentamiento es la principal defensa contra la Fisuración Inducida por Hidrogeno (HIC) permitiendo a este difundir fuera del metal de soldadura. 2. Disminuye la velocidad de enfriamiento del metal de soldadura y de la ZAC, el resultado es una microestructura mas dúctil y resistente a la fisuración. 3. Disminuye algo las Tensiones Residuales al reducir la diferencia de temperatura entre el Metal de Soldadura y el material base minimizando la contracción. 4. Mantiene al acero a una temperatura superior a aquella por debajo de la cual ocurre fractura frágil. 5. Compensa las perdidas de calor en secciones gruesas de acero y especialmente en aleaciones de alta conductividad térmica como cobre o aluminio evitando fallas por falta de fusión del Material Base. 6. Reduce la porosidad debida a la presencia de humedad.
5.3. Tratamientos térmicos post-soldadura. “T.T.P.S” (Post-Weld Heat Treatment “P.W.H.T) Los tratamientos térmicos post-soldadura se hacen principalmente para controlar los siguientes fenómenos que se pueden presentar: 1. Disminuye la dureza de la ZAC, metal de soldadura y material base. El resultado es una microestructura mas dúctil y resistente a la fisuración. 14
2. Aumenta la resistencia a la corrosión y a la fisuración por corrosión bajo tensión (Como se mencionaba con anterioridad es una forma de HIC). 3. Al reducir las tensiones residuales aumenta la estabilidad dimensional de estructuras soldadas y mecanizadas. 4. Al Reducir las tensiones residuales aumenta la Tenacidad del material., por disminución de la Triaxialidad. 5. Al Reducir las tensiones residuales aumenta la Resistencia a la Fatiga.
5.4. Post-calentamiento. Este tipo de T.T.P.S. es realmente una prolongación del precalentamiento y esta dirigido a remover el hidrogeno que pudiese quedar luego de la soldadura. Se suele utilizar en reparaciones cuando el TTPS es impráctico o inseguro para la instalación. Ver National Board I.C.
6. CONCLUSIONES. Fueron expuestos los conceptos que gobiernan la nucleación y el crecimiento de las grietas inducidas por hidrógeno y se plantearon las condiciones que se deben reunir para su formación en soldaduras por fusión de aceros ferríticos; igualmente, se presentó una explicación del porqué estas grietas pueden presentarse en el metal fundido o en la ZAT según las características de templabilidad de los metales involucrados en una unión soldada. Posteriormente se dio a conocer algo referente a los tratamientos térmicos que se deberían involucrar cuando la pieza a soldar es propensa a verse afectada por hidrogeno, donde se pudieron apreciar los tratamientos térmicos antes de la aplicación de la soldadura, durante y posterior al proceso, las bondades y ventajas que trae realizar debidamente cada proceso térmico en las condiciones que se recomiendan. En general se quiso mostrar un esquema general de los escenarios que se pueden dar cuando una pieza sufre un agrietamiento inducido por hidrogeno el cual siempre o en la mayoría de veces se va a ver en su mayor nivel ofensivo al metal base y de aporte cuando se presentan ciertos parámetros en operatividad en servicio, o simplemente cuando la pieza soldada después de un tiempo prudente esta expuesta a temperaturas cercanas a la de ambiente.
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7. BIBLIOGRAFIA. -
Agrietamiento inducido por el hidrogeno en soldaduras de acero, Proyecto de grado UN de Colombia, Medellín – Por Jorge Enrique Giraldo – Cesar Augusto Chaves 21/01/02 (Base de datos del Proquest).
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Metalurgia de la soldadura, Cap V. Daniel Seferian. Madrid 1962.
-
Interrante and Stout, Welding Journal Abril 1964 – Articulo base de datos Proquest. Articulo de internet – Troiano, A. The role of hydrogen and other intersticials in the mechanical behavior of metals. ASM Transactions. 1960. base de datos de Pearson.
-
Articulo de internet – Dieter, George E. Mechanical Metallurgy. 1988.
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Texto de internet, Curso de inspectores de soldadura IAS – TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA. Termo Soldex S.A. Bs.As. Arg. WELDING STEELS WITHOUT HIDROGEN CRACKING – Editado por: The Welding institute.
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