Unirse a la pareja improbable: Mis amargas lecciones soldando acero inoxidable P91 a 304H

¿Alguna vez has intentado soldar dos materiales que, metalurgicamente hablando, se odian absolutamente? Eso es lo que hacemos para ganarnos la vida.. mi nombre no es importante, pero he estado blandiendo un aguijón y aprobando radiografías por empujar desde hace treinta años.. tubos de caldera, encabezados de sobrecalentador, tubería de vapor principal, lo que sea, Probablemente le quemé una varilla, o vio fallar la soldadura de otra persona porque no escuchó.

esta historia, el de soldar acero al cromo-molibdeno A335-P91 con acero inoxidable TP304H? Esa es una historia escrita con sudor., algunos fracasos, y un turno de noche en particular en una central eléctrica de Luisiana con el que todavía sueño a veces. sudores frios, sabes?

Estamos hablando de una soldadura de metales diferentes., o DMW. Suena clínico. En realidad, es como casar un motor diésel con una turbina a reacción y esperar que el acoplamiento dure cuarenta años. P91 es tu alta resistencia, guerrero resistente a la fluencia para alta presión. 304H es su resistente a la oxidación, prima donna inoxidable para alta temperatura. Sirven para diferentes propósitos. Pero a veces, en el mundo real de la modernización y reparación, tienen que convertirse en uno.

Primero, Los jugadores: Por qué no juegan bien

Vamos a entender lo básico, de mi cuaderno de campo grasiento, no es un libro de texto.

A335-P91 es un acero martensítico. 9% Cromo, 1% Molibdeno, con una pizca de vanadio y niobio. Nos encanta porque tiene una resistencia monstruosa a altas temperaturas, hasta 600 °C aproximadamente.. El “h” en 304H solo significa que es una versión con alto contenido de carbono del estándar 18-8 inoxidable, lo que le da una mejor resistencia a la fluencia. Es completamente austenítico, todos los cristales cúbicos centrados en las caras.

Inmediatamente, Los problemas te están mirando a la cara.:

• Desajuste de expansión térmica: Este es el grande. P91 tiene un coeficiente de expansión térmica alrededor 13-14 x 10⁻⁶ /°C. 304h? Más como 18-19 x 10⁻⁶ /°C. Entonces calientas esta tubería hasta la temperatura de funcionamiento., digamos 570°C. El sector inoxidable quiere crecer casi 30% más que el lado P91. Ese diferencial intenta romper la soldadura justo en la línea de fusión.. Establece cepas cíclicas cada vez que la planta arranca y se apaga.. A eso lo llamamos fatiga térmica de bajo ciclo..

• Migración de carbono: A temperaturas de soldadura, e incluso a temperaturas de servicio, El carbono es un ave migratoria.. Le encanta volar desde donde hay mucho. (el P91, que tiene un contenido de carbono decente) hacia donde hay una fuerte atracción (el 304H, que tiene mucho cromo). El cromo es un formador de carburo.. Entonces el carbono hace las maletas, se mueve a través de la soldadura, y forma una banda continua de carburos de cromo justo en el lado inoxidable de la línea de fusión. Esa banda es quebradiza como el vidrio.. Lo llamamos el “zona descarburada” en el lado P91 y el “zona carburizada” en el lado inoxidable. Es una fractura esperando a suceder.. lo he visto. no es bonito.

• Diferencias de oxidación: P91 también depende de la formación de una capa de óxido de cromo., pero es mas delgado. a altas temperaturas, si no obtiene el perfil de soldadura correcto, El lado P91 se puede oxidar preferentemente justo al lado del acero inoxidable., creando una muesca.

• Tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) Pesadilla: P91 requiere PWHT para templar lo duro, martensita frágil que se forma cuando se enfría. Tienes que calentar toda esa zona a unos 760°C durante un par de horas.. Pero 304H? Cuando lo mantienes a 760°C, pasan cosas malas. Los carburos de cromo precipitan dentro de los granos y en los límites de los mismos: eso es sensibilización.. Le quita al acero inoxidable su resistencia a la corrosión y lo hace susceptible a una falla desagradable llamada “ataque con cuchillo” luego. Entonces estás estancado: Tratamiento térmico para salvar el P91., y dañas el 304H. No tratar con calor, y la soldadura P91 es dura y quebradiza y se agrietará en servicio. Maldita sea si lo haces, Maldito si no lo haces.

La historia de Luisiana: Un fracaso que me enseñó más que cualquier seminario

Esto fue en, Creo, 2007. Una gran planta de cogeneración en las afueras de Baton Rouge. Tenían un cabezal de salida de sobrecalentador., Material P91, y estaban conectando una nueva sección de reemplazo de tubería 304H. fue una modernización, una soldadura de campo. la empresa de ingenieria, algún traje elegante del norte, había especificado un metal de relleno inoxidable 309L estándar. eso es lo habitual “ir a” Para unir acero inoxidable con acero al carbono o de baja aleación.. 309L tiene un mayor contenido de aleación para manejar la dilución..

El equipo del turno de noche, buenos chicos, lo soldaron. Segui el procedimiento al pie de la letra, o eso pensaban. La soldadura se vio hermosa. gorras preciosas. Ellos hicieron el PWHT, Calentar toda la soldadura y el lado P91 durante dos horas.. La radiografía salió perfecta. Sin escoria, sin porosidad. Todos chocaron los cinco.

Seis meses después, recibo una llamada frenética. La unidad estaba caída. una fuga. conduje hasta allí, y mi corazón se hundió cuando lo vi. La soldadura no había fallado en el medio.. Había fallado justo en la línea de fusión del lado P91.. un limpio, grieta circunferencial, como si alguien hubiera tomado un cuchillo y cortado el tubo justo al lado de la soldadura. No fue una lágrima dúctil. era quebradizo. Se podía ver que la grieta atravesaba esa zona descarburada de la que estaba hablando..

¿Qué salió mal?? El llenador 309L, a esa temperatura PWHT, Actuó como un imán de carbono.. Chupó carbono directamente del P91., dejando eso débil, zona ferrítica. El 309L en sí, después de mantenerse a 760°C, probablemente tampoco estaba en buena forma. Pero la causa fundamental? El metal de aportación incorrecto para una temperatura alta., servicio cíclico. 309L está bien para estática, cosas de baja temperatura. aquí no. Necesitábamos un relleno a base de níquel..

Terminamos cortando toda la pieza del carrete.. A $50,000 error en material y mano de obra, sin mencionar la pérdida de ingresos por generación. el gerente de planta, un chico llamado mike, él no gritó. El solo me miro y dijo, “arreglarlo. Y asegúrate de que sea la última vez.” Todavía recuerdo esa mirada.

La solución: La solución a base de níquel y el procedimiento real

Ese fracaso quemó la lección en mi cerebro.. Para P91 a 304H, especialmente en servicio cíclico de alta temperatura (que es 99% del tiempo), usas un relleno a base de níquel. Período. El estándar de la industria ahora, y lo que usamos para rehacer, es ERNiCr-3 (como inconel 82) para TIG raíz y hot pass, y ENiCrFe-3 (como inconel 182) para soldadura con electrodo revestido.

¿Por qué níquel?? Porque el níquel tiene un coeficiente de expansión térmica que se encuentra justo en el medio entre P91 y 304H.. Actúa como un amortiguador. Más importante aún, El níquel no tiene una gran afinidad por el carbono.. No forma carburos estables como lo hace el cromo.. Entonces ese problema de migración de carbono? No se detiene por completo (la física es física), pero el relleno a base de níquel no crea esa nitidez., banda continua de carburos. El gradiente de carbono es mucho más suave..

Aquí está el verdadero procedimiento., El que escribimos con sangre después de ese trabajo en Luisiana.:

Paso 1: La preparación lo es todo
No puedes simplemente biselar y soldar. El bisel es un bisel compuesto., generalmente alrededor de un ángulo incluido de 20 grados, con un aterrizaje de aproximadamente 1,5 mm. Pero la clave es la limpieza.. El acero inoxidable es exigente. P91 es quisquilloso. Tienes que moler con ruedas dedicadas de acero inoxidable.. Si usas una rueda que esté tocada con acero al carbono, incrustarás partículas de hierro en el bisel de acero inoxidable. Esas partículas se convierten en sitios de iniciación para el craqueo posterior.. lo he visto. Una vez tuvimos un instalador, buen hombre, pero agarró el molinillo equivocado. Le hicimos volver a biselar toda la tubería.. estaba enojado, pero prefiero tenerlo enojado que una soldadura fallida.

Paso 2: La capa de mantequilla (La salsa secreta)
Aquí es donde la experiencia vence a un libro de texto.. En lugar de intentar soldar el P91 directamente al 304H de una sola vez, nosotros “manteca” la cara del bisel P91 primero. Tomamos la varilla TIG ERNiCr-3 y colocamos una capa., tal vez 3 mm de espesor, directamente sobre el bisel P91 preparado. Esto se hace incluso antes de que la tubería esté clavada..

por que mantequilla? Varias razones.

• Primero, nos permite hacer un “intermedio” PWHT. Después de untar con mantequilla, ponemos el tramo de tubería P91 (solo ese final) en un horno de calefacción local o use calentadores de almohadilla cerámica y realice un ciclo PWHT completo a 760°C. Esto atenúa la zona afectada por el calor en el P91 desde el paso de mantequilla., y alivia el estrés de la capa de mantequilla.. Fundamentalmente, porque la capa de mantequilla es delgada y el 304H aún no está adherido, No mantenemos una gran cantidad de acero inoxidable a esa temperatura sensibilizante.. Solo estamos tratando el lado P91..

• Segundo, crea una interfaz graduada. El primer pase de mantequilla se fusiona con el P91, creando una fina zona de dilución. Luego esa capa de mantequilla se trata térmicamente.. Cuando luego soldamos el P91 untado con mantequilla al 304H usando la misma varilla de níquel, El metal de soldadura es esencialmente todo a base de níquel.. La migración de carbono se minimiza..

Paso 3: Los parámetros de soldadura
Realizamos la soldadura de rehacer con TIG para la raíz y las siguientes dos pasadas.. Purga de argón puro en el interior.. Tienes que purgar el inoxidable., de lo contrario, el interior se endulza (oxida) y crea incrustaciones que pueden romperse y arruinar las palas de la turbina más adelante..

Aquí hay una tabla aproximada de ese trabajo., rayado en una hoja de papel y luego ingresado en el WPS:

Observamos esa temperatura entre pases como un halcón.. Si sube demasiado, básicamente estás precalentando demasiado toda la masa, lo que aumenta el riesgo de agrietamiento en caliente en la aleación de níquel y promueve una mayor migración de carbono. A veces lo dejamos enfriar por debajo de los 100°C antes de comenzar la siguiente pasada.. Lento y constante.

Paso 4: El dilema de PWHT (De nuevo)
Una vez completada la soldadura, tenemos un porro con P91 untado con mantequilla, un centro de metal de soldadura de níquel puro, y el 304H. ¿Tratamos todo con calor nuevamente?? El enfoque moderno, y lo que hicimos, es un “compromiso” o “templado” PWHT. Calentamos toda la soldadura y una banda a cada lado a una temperatura inferior al temple estándar P91, alrededor de 720-740°C, por un tiempo más corto, digamos una hora. Esto proporciona algo de templado a cualquier martensita fresca que pueda haberse formado en la HAZ P91 a partir de las pasadas de soldadura finales., pero minimiza el tiempo que el 304H pasa en el rango de sensibilización. no es perfecto. El 304H todavía estará algo sensibilizado justo al lado de la soldadura.. Pero es lo mejor que podemos hacer.. Algunas especificaciones ahora incluso dicen que no se permite PWHT para estas uniones si se unta con mantequilla y se controla estrictamente la entrada de calor., pero soy de la vieja escuela. Me gusta el baño templado.

Lo que dicen los códigos y las nuevas tendencias

Códigos como ASME Sección IX son el libro de reglas. Requieren que califiques un Registro de Calificación de Procedimiento (PQR) con pruebas de tracción y flexión, y para estos materiales, a menudo pruebas de impacto Charpy en el P91 HAZ. Tienes que demostrar que tu procedimiento funciona..

La gran tendencia ahora, y he visto esto en algunas plantas de gas nuevas en Texas., está utilizando soldadura TIG orbital automatizada para estos DMW críticos. La máquina controla perfectamente el aporte de calor y la velocidad de desplazamiento., mucho mejor que una mano humana. Reduce la variabilidad. Usamos orbital para un trabajo en Houston el año pasado., uniendo P91 a 304H en un reformador de hidrógeno. La consistencia de la cuenta era otra cosa.. Pero incluso entonces, los fundamentos: la mantequilla, la elección del metal de aportación, los PWHT: no cambian. La máquina es sólo una herramienta..

Otra cosa que está surgiendo es el uso de “graduado composicionalmente” cable, pero eso todavía está en su mayor parte en los laboratorios.. Demasiado caro para el trabajo de campo en este momento..

Lecciones que no puedes aprender en un aula

Así que, ¿Cuál es la conclusión de todo esto?, del fracaso de Luisiana y los empleos desde entonces?

Primero, esa falla inicial no fue realmente una falla de soldadura. Fue un fallo de ingeniería de materiales.. Alguien eligió un metal de aportación que parecía correcto sobre el papel pero que no era adecuado para las condiciones reales de ciclo térmico y PWHT.. Nos sentimos demasiado cómodos con “práctica estándar.”

Segundo, no se puede derrotar a la metalurgia. Sólo puedes gestionarlo. No se puede evitar que el carbono quiera moverse, pero puedes elegir un metal de aportación (níquel) eso no crea una banda de carburo afilada. No se puede hacer que los coeficientes de expansión coincidan perfectamente, pero puedes crear una zona de amortiguamiento con níquel que tenga un coeficiente intermedio. Tu gestionas los riesgos. No los eliminas. Cualquiera que diga que tiene una soldadura perfecta que durará para siempre miente o no ha estado haciendo esto el tiempo suficiente para ver qué pasa después de diez años y mil ciclos térmicos..

Tercero, A veces he aprendido a confiar más en la inspección visual que en la radiografía.. En esa soldadura de Luisiana, la radiografia fue perfecta. Pero un inspector muy perspicaz y con un buen boroscopio podría haber visto una ligera decoloración justo en la línea de fusión., o un cambio en el patrón de escala de óxido, que insinuaba que algo andaba mal debajo. Ahora, Paso mucho tiempo simplemente mirando las soldaduras antes y después del tratamiento térmico.. A veces casi puedes sentir la tensión en el metal..

Pusimos en servicio esa soldadura de rehacer más tarde. 2007. Lo comprobé hace unos años., durante una interrupción planificada. Subí a ese encabezado, Pasé mi mano por la tapa de soldadura.. todavía estaba ahí. Todavía sólido. Un poco de decoloración, tal vez, pero sin grietas. ese sentimiento, para eso trabajas. no es la paga. Es saber que cometiste un error, un fracaso, Y lo arreglaste con tus propias manos y tu cerebro., y que se está frenando 2000 psi de vapor sobrecalentado a 1000 grados. ese es el trabajo. Es una cosa increíble.