Superposición de soldadura de Inconel en alta

Nov 02, 2023

Las bombas de alta energía que funcionan en condiciones difíciles deben fabricarse utilizando los mejores materiales posibles para garantizar la confiabilidad a largo plazo. Para aplicaciones que involucran agua de mar y agua producida, el acero inoxidable súper dúplex comúnmente se especifica como el principal material de fabricación debido a su resistencia a la corrosión.

Sin embargo, el alto coste de este material puede convertirse en un factor importante a la hora de diseñar componentes más grandes y los operadores pueden solicitar que se evalúen alternativas para sus proyectos.

Al mismo tiempo, las aplicaciones de bombeo pueden cambiar y es necesario actualizar el equipo involucrado para adaptarlo a los nuevos requisitos. Para las bombas heredadas, esto puede crear varios desafíos, ya que los operadores deben establecer la forma más rentable de cumplir con las nuevas especificaciones. Las presiones elevadas pueden descartar el súper dúplex como el material más adecuado, una situación que puede resolverse mediante una capa de soldadura de Inconel.

Caracterización de materiales

El superdúplex es un material comúnmente utilizado para crear carcasas de bombas para agua de mar, agua producida y determinadas aplicaciones de petróleo y gas. Proporciona la resistencia a la corrosión requerida en correlación con el fluido que debe manejar la bomba.

Este metal pertenece a los materiales resistentes a la corrosión que poseen una alta resistencia a las picaduras, que se calcula mediante un promedio ponderado de elementos clave, como cromo, molibdeno y nitrógeno, utilizando la Ecuación 1.

Ecuación 1

PREN = %Cr + 3,3 x

(%Mes + 0,5%W) + 16 x %N

Se calcula el valor conocido como número equivalente de resistencia a las picaduras (PREN), que representa la capacidad del material para resistir la corrosión localizada en forma de picaduras. Para las aplicaciones mencionadas anteriormente, el PREN debe ser mayor a 40.

Sin embargo, si bien la composición química del superdúplex ofrece alta resistencia, una amplia gama de resistencia a la corrosión y soldabilidad moderada, tiene algunas limitaciones. La metalurgia de los aceros inoxidables dúplex es más compleja que la de los aceros ferríticos o austeníticos, lo que significa que son más difíciles de producir y fabricar. Esto impacta los costos de materiales.

Además, los aceros dúplex pueden formar varias fases intermetálicas no deseadas, como sigma y alfa prima, si el material no recibe el procesamiento correcto, especialmente en el tratamiento térmico. Los aceros súper dúplex son especialmente propensos a la fragilización y a la reducción de la resistencia a la corrosión cuando la velocidad de enfriamiento durante la fabricación o la soldadura no es lo suficientemente alta. Esto puede reducir la gama de aplicaciones adecuadas para estos materiales.

Soluciones de alta presión

Finalmente, las aplicaciones que implican presiones elevadas requieren un mayor espesor de pared, lo cual es especialmente relevante para las carcasas de bombas. Sin embargo, los materiales súper dúplex solo están calificados hasta cierto punto para este propósito, por lo que en situaciones de alta presión, los fabricantes y quienes participan en la reparación o adaptación de bombas deben revisar sus opciones.

El tema de las carcasas de bombas soldadas volvió a estar en primer plano con los crecientes requisitos de presión de las bombas. En 2011, otro estudio obtuvo conocimientos similares sobre la investigación anterior. Como en algunas aplicaciones se requerían presiones de funcionamiento de hasta 10.000 libras por pulgada cuadrada (psi) (690 bar), el súper dúplex fue menos preferido que la opción con un diseño de carcasa soldada, lo que llevó a los proyectos sucesores del prototipo.

A este nivel de presión de fluido, la carcasa de la bomba debe ser más gruesa, pero esto superó el espesor de pared para el que estaba calificado el material superdúplex forjado. Al mismo tiempo, los costes de la preparación del mecanizado de la soldadura y de la soldadura en sí, incluida la calificación de la soldadura, a veces pueden verse compensados ​​por el mayor precio de mercado del súper dúplex.

Desarrollando alternativas

Una posible alternativa es utilizar acero al carbono o de baja aleación para la carcasa y soldar todas las superficies humedecidas por el proceso con una capa resistente a la corrosión, como Inconel 625. La decisión de utilizar este proceso para revestir las carcasas con este material a base de níquel Depende de los precios actuales de las materias primas y de las limitaciones de tamaño y peso de las piezas superdúplex grandes.

Un material de baja aleación con un contenido de 2,25% de cromo y 1% de molibdeno se ha convertido en un material base aceptado en la industria para piezas soldadas con Inconel 625. También fue seleccionado, ya que ofrece una resistencia del material similar al súper dúplex si se aplica el tratamiento térmico adecuado. Está aplicado.

El método de superposición de soldadura suele ser el más adecuado cuando el material súper dúplex no es la selección de material más adecuada debido a la limitación relacionada con el proceso de tratamiento térmico. El enfriamiento eficiente y efectivo durante el tratamiento térmico es un desafío para los componentes súper dúplex más gruesos; existe riesgo de fragilización y reducción de la resistencia a la corrosión. Por lo tanto, el súper dúplex no está calificado para piezas más gruesas con una limitación de espesor de pared de aproximadamente 250 milímetros (mm). Proteger materiales menos nobles, como el acero al carbono o el acero de baja aleación, con una capa de soldadura resistente a la corrosión, se convierte en una valiosa alternativa.

En 2008, una empresa de ingeniería de fluidos desarrolló su primer diseño de bomba que empleaba este proceso de superposición de soldadura. Un área que se había revestido con Inconel fue el contorno húmedo del proceso dentro de las carcasas de las bombas (Imagen 1). Este prototipo permitió una investigación exhaustiva sobre la viabilidad de utilizar componentes de bombas que incluyeran superposiciones de soldadura.

Técnicamente, se puede utilizar una amplia gama de aceros al carbono o de baja aleación como material base, lo que reduce significativamente el coste de los componentes. Parte de la investigación consistió en elaborar los diferentes candidatos para el material base de las carcasas y el diseño del perfil de la carcasa que debe protegerse mediante la capa de soldadura. Estas investigaciones estuvieron acompañadas de consideraciones de costos, que afectarían la viabilidad del proceso a largo plazo.

Procesos de soldadura y requisitos de procesos técnicos

En términos generales, un proyecto de superposición de soldadura consta de tres pasos. Primero, se mecaniza el material base para crear el espacio para acomodar la capa de soldadura. Luego se utiliza un soldador especializado para aplicar el metal de mayor especificación, como Inconel 625, antes de que el componente regrese al taller de maquinaria para su dimensionamiento final.

El desarrollo de los procedimientos de superposición de soldadura implicó un proceso de soldadura mecanizada por arco de tungsteno con gas (GTAW), que se utilizó en los proyectos que siguieron a las primeras pruebas de soldadura.

El equipo de soldadura contiene un electrodo de tungsteno no consumible que genera el arco, cuyo calor debe ser suficiente para fundir los metales.

En este caso, Inconel 625 es el metal que se fusionará con el material de la carcasa de acero de baja aleación. Un alambre de Inconel se alimenta continuamente al arco de soldadura y a la pieza de trabajo. El arco de soldadura está protegido por una protección de gas inerte que evita la contaminación del área de soldadura (Imagen 2).

Hay varios desafíos que surgen con el proceso de soldadura. Sin embargo, la empresa de ingeniería de fluidos se asoció con un soldador especializado cualificado que pudo lograr la soldadura de alta calidad requerida y manejar carcasas de bombas que pesaban varias toneladas. Se abordarán tres requisitos de la especificación de soldadura.

Composición del hierro

Es necesario controlar cuidadosamente la dilución y el contenido de hierro en la soldadura. Se especifican dos clases de composición para las aleaciones a base de níquel N06625 según el American Petroleum Institute (API) 6A (Organización Internacional de Normalización [ISO] 10423) para los análisis químicos: Fe5 y Fe10.

Las abreviaturas representan el contenido de hierro máximo permitido que se acumula en el lugar a 3,2 milímetros (mm) del material base (Imagen 3). Cualquier aumento en el contenido de hierro de la capa de soldadura más allá del especificado aumenta el riesgo de corrosión.

Espesor de soldadura

Otro requisito especifica que se deben aplicar al menos dos capas de soldadura sobre el material base. La vista a través del orificio de la carcasa (Imagen 4) revela la apariencia ligeramente surcada de la capa soldada.

Una vez completada la soldadura, se realiza un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para garantizar las propiedades requeridas del material y liberar tensiones residuales.

En este caso, la empresa de ingeniería de fluidos decidió obtener un espesor de soldadura final mecanizado de 5 mm. La intención era compensar cualquier desviación en términos de tolerancias de fabricación y posible desgaste por erosión que pueda ocurrir durante el funcionamiento.

Se requieren varios pasos de fabricación para obtener la geometría de soldadura final y una de las ambiciones del proyecto era minimizar la desviación en la medida de lo posible, en términos del espesor de la soldadura, para reducir el tiempo necesario para el mecanizado final. Para alcanzar un espesor de soldadura final de 5 mm, era necesario diseñar el mecanizado para la preparación de la soldadura y el mecanizado final que siguió a la soldadura y establecer sus tolerancias dimensionales.

Pequeños agujeros

La soldadura de orificios plantea aún más retos. La accesibilidad para soldar a los orificios de la carcasa está restringida por el tamaño de la herramienta de soldadura.

Se pueden establecer orificios más pequeños con tubos sólidos de Inconel que se sueldan en una abertura preperforada y ligeramente más grande en la carcasa. Otra opción sería insertar un cilindro macizo de Inconel en una abertura. El mecanizado final se realizará posteriormente perforando un orificio en este núcleo soldado.

Ejecución

Se han completado tres unidades de bombeo con carcasa revestida de Inconel desde que se realizaron las primeras pruebas de soldadura de este tipo de componentes de bombas. El primer diseño fue para una instalación submarina en el Golfo de México. El segundo pedido fue para un proyecto de petróleo y gas en Medio Oriente y la tercera solicitud estuvo relacionada con una bomba que procesa dióxido de carbono (CO2). Los proyectos implicaron soldar el área de proceso de carcasas de bombas más grandes (ver Imagen 5).

Las carcasas de bombas más grandes medían más de tres metros de longitud. El tamaño y el peso de estos componentes, que inclinan la balanza a varias toneladas, aumentaron la complejidad del proyecto.

Siguiendo el procedimiento descrito anteriormente, el forjado inicial se pasó a la instalación de mecanizado, luego al soldador para el proceso de revestimiento y finalmente se mecanizó para conseguir las dimensiones finales en las superficies soldadas.

Debido al tamaño de estas bombas, las carcasas se colocaron verticalmente (Imágenes 6 y 7) para el proceso de revestimiento de soldadura, lo que permitió alinear el soplete con la precisión requerida.

Dos de las bombas venían con un requisito de soldadura específico relacionado con las ranuras de las juntas de las conexiones de tubería bridadas que están dispuestas fuera de la carcasa de la bomba. La interfaz en la carcasa de la bomba incluye ranuras mecanizadas cuyo propósito es acomodar las juntas metálicas.

La selección del material para las juntas está estandarizada y correlacionada con el material de relleno de la soldadura. Tanto la junta como el revestimiento de soldadura están hechos de Inconel 625. El proyecto requería revestir todas las ranuras de la junta (Imagen 8). El propósito de la soldadura fue evitar la corrosión galvánica entre la junta y el material base menos noble, que es la carcasa de la bomba descrita en este documento.

El uso de revestimiento de soldadura en los componentes de la bomba puede ser una alternativa eficaz a la selección convencional de materiales base resistentes a la corrosión, como el súper dúplex, para bombas que funcionan en un ambiente corrosivo. Sin embargo, es necesario realizar una estimación de costes antes de la selección final del material, ya que los precios del acero súper dúplex y del acero de baja aleación pueden fluctuar, al igual que el tiempo de entrega de las distintas materias primas forjadas.

La tendencia hacia clases de presión más altas y, por lo tanto, piezas de retención de presión más gruesas, favoreció la selección del material con una composición de baja aleación: 2,25% de cromo y 1% de molibdeno. La calificación de las carcasas de bombas fabricadas en superdúplex se limita a un determinado espesor de forjado. A medida que esta tendencia continúe, habrá una mayor demanda de revestimientos de soldadura, ya sea para modernizar las bombas existentes o para la creación de nuevos activos.

El desarrollo de este proceso por parte de la empresa de ingeniería de fluidos ha resultado exitoso, ya que se han perfeccionado los procedimientos de fabricación y soldadura para las unidades de bombeo descritas. Esto se ha logrado porque los pasos de fabricación individuales, incluido el forjado, el premecanizado, la soldadura y el mecanizado final, se han alineado bien en colaboración con un socio especializado en soldadura.

Benedikt Trottmann es ingeniero de desarrollo en Sulzer. Para obtener más información, visite sulzer.com.