Recubrimiento de soldadura Inconel en alto

Las bombas de alta energía que funcionan en condiciones arduas deben fabricarse con 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 se especifica comúnmente como el principal material de fabricación debido a su resistencia a la corrosión.

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

Al mismo tiempo, las aplicaciones de bombeo pueden cambiar y el equipo involucrado debe actualizarse para cumplir con los nuevos requisitos. Para las bombas heredadas, esto puede crear varios desafíos, ya que los operadores deben establecer la forma más rentable de entregar las nuevas especificaciones. Las presiones elevadas pueden descartar el súper dúplex como el material más adecuado, una situación que se puede resolver con 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 ciertas aplicaciones de petróleo y gas. Proporciona la resistencia a la corrosión requerida en correlación con el fluido que la bomba debe manejar.

Este metal pertenece a los materiales resistentes a la corrosión que poseen alta resistencia a las picaduras, la cual 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

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

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, mientras que la composición química del super dúplex 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 en los costos de materiales.

Además, los aceros dúplex pueden formar varias fases intermetálicas no deseadas, como sigma y alfa prime, 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 que es especialmente relevante para las carcasas de las 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 aquellos involucrados en la reparación o actualización de bombas deben revisar sus opciones.

El tema de las carcasas de bombas soldadas pasó a primer plano una vez más con los crecientes requisitos de presión para las bombas. En 2011, otro estudio obtuvo información similar a la investigación anterior. Como en algunas aplicaciones se requerían presiones operativas de hasta 10 000 libras por pulgada cuadrada (psi) (690 bar), el superdúplex fue menos preferido que la opción con un diseño de carcasa soldada, lo que condujo 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 grosor de la pared para el que se calificó el material super dúplex forjado. Al mismo tiempo, los costos de la preparación del mecanizado de la soldadura y la soldadura en sí, incluida la calificación de la soldadura, a veces pueden compensarse con el precio de mercado más alto del super dúplex.

Desarrollo de alternativas

Una posible alternativa es utilizar acero al carbono o de baja aleación para la carcasa y soldar todas las superficies mojadas 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 super dúplex 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 las piezas que se sueldan con Inconel 625. También se seleccionó porque ofrece una resistencia de material similar a la del super dúplex si se aplica el tratamiento térmico adecuado. Está aplicado.

El método de superposición de soldadura suele ser el más adecuado cuando el super 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 el riesgo de fragilización y reducción de la resistencia a la corrosión. Por lo tanto, Super Duplex no está calificado para piezas más gruesas con una limitación de espesor de pared de aproximadamente 250 milímetros (mm). Para proteger materiales menos nobles, como acero al carbono o acero de baja aleación, con un recubrimiento 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 era el contorno húmedo del proceso dentro de las carcasas de la bomba (Imagen 1). Este prototipo permitió una investigación exhaustiva sobre la viabilidad de utilizar componentes de bomba que incluyeran superposiciones de soldadura.

Técnicamente, se puede utilizar como material base una amplia gama de aceros al carbono o de baja aleación, lo que reduce significativamente el costo de los componentes. Parte de la investigación fue profundizar en los diferentes candidatos para el material base de las carcasas y en el diseño del perfil de la carcasa que necesita ser protegido por la capa de soldadura. Estas investigaciones estuvieron acompañadas de consideraciones de costos, lo que afectaría la viabilidad del proceso en el largo plazo.

Procesos de soldadura y requisitos técnicos del proceso

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

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

La configuración 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 la pieza de trabajo. El arco de soldadura está protegido por un escudo 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 calificado que pudo lograr la soldadura de alta calidad requerida y manejar las carcasas de las bombas que pesaban varias toneladas. Se abordarán tres requisitos de la especificación de soldadura.

Composición de hierro

La dilución y el contenido de hierro en la soldadura deben controlarse cuidadosamente. Se especifican dos clases de composición para las aleaciones a base de níquel N06625 según el Instituto Americano del Petróleo (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 de lo 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 que se completa la soldadura, se realiza un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para garantizar las propiedades requeridas del material y liberar las tensiones residuales.

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

Se requieren varios pasos de fabricación para obtener la geometría final de la soldadura 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 requerido para el mecanizado final. Para tener como objetivo un espesor de soldadura final de 5 mm, era necesario diseñar el mecanizado para la preparación de la soldadura y el mecanizado final que seguía a la soldadura y establecer sus tolerancias dimensionales.

Pequeños agujeros

Hay más desafíos cuando se trata de la soldadura de orificios. La accesibilidad de la soldadura a los orificios de la carcasa está restringida por el tamaño de la herramienta de soldadura.

Se pueden establecer orificios más pequeños con tuberías sólidas de Inconel que se sueldan en una abertura previamente perforada y un poco más grande en la carcasa. Otra opción sería insertar un cilindro sólido hecho 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 bomba con carcasas revestidas de Inconel desde que se realizaron las primeras pruebas de soldadura en este tipo de componentes de bomba. 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 el Medio Oriente y la tercera solicitud ha estado relacionada con una bomba que procesa dióxido de carbono (CO2). Los proyectos involucraron 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 largo. El tamaño y el peso de estos componentes, que inclinan la balanza a varias toneladas, se sumaron a la complejidad del proyecto.

Siguiendo el procedimiento descrito anteriormente, el forjado inicial se pasó a la planta de mecanizado, luego al soldador para el proceso de revestimiento y finalmente se mecanizó para lograr 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 la antorcha de soldadura 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 con bridas que están dispuestas fuera de la carcasa de la bomba. La interfaz en la carcasa de la bomba incluye ranuras maquinadas cuyo propósito es acomodar las juntas metálicas.

La selección del material para las juntas está estandarizada y se correlaciona con el material de relleno de la soldadura. Tanto la junta como el revestimiento de soldadura están hechos de Inconel 625. El proyecto requería que todas las ranuras de la junta estuvieran revestidas (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 trabajo.

El uso de recubrimiento 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 superdúplex, para bombas que funcionan en un entorno corrosivo. Sin embargo, una estimación de costos debe preceder a la selección final del material, ya que los precios del súper dúplex y el acero de baja aleación pueden fluctuar, al igual que el tiempo de entrega de las materias primas forjadas individuales.

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 la composición de baja aleación 2,25% cromo 1% molibdeno. La calificación de las carcasas de bomba fabricadas con super dúplex se limita a un cierto espesor de forja. A medida que continúe esta tendencia, habrá una mayor demanda de revestimiento de soldadura, ya sea para actualizar las bombas existentes o en la creación de nuevos activos.

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

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