Integridad de la soldadura en condiciones extremas

Para estructuras que operan en condiciones de fluencia a baja temperatura (inferior a -46 °C) y alta temperatura (superior a 500 °C), los requisitos para los materiales de soldadura difieren drásticamente, pero en ambos casos son extremadamente exigentes.Integridad de la soldadura en condiciones extremas

A continuación, se detallan los indicadores de rendimiento más críticos y las normas de ensayo correspondientes para estas dos áreas.

一. Integridad de la soldadura en condiciones extremas：Condiciones de baja temperatura (≤ -46 °C)

Estas estructuras se encuentran comúnmente en tanques de almacenamiento de gas natural licuado (GNL), tuberías criogénicas, recipientes polares e instalaciones de investigación científica. La principal amenaza es la fractura frágil.

Indicador de rendimiento más exigente: Resistencia al impacto

●Requisito: El metal de soldadura debe poseer una energía de absorción de impacto Charpy V extremadamente alta a la temperatura mínima de diseño (TMD) para prevenir la aparición y propagación de la fractura frágil.

●¿Por qué es tan estricto?:

▶ Transición de tenacidad: El acero y el metal de soldadura pasan de un estado dúctil a uno frágil al disminuir la temperatura. A bajas temperaturas, como -46 °C, es fundamental asegurar que la soldadura permanezca dentro de la región de meseta dúctil.

▶ Concentración de tensiones: Las discontinuidades geométricas y los defectos microscópicos en las uniones soldadas provocan fácilmente concentración de tensiones. Las soldaduras de alta tenacidad pueden embotar las puntas de las grietas y prevenir su propagación mediante deformación plástica.

▶ Sensibilidad a la microestructura: La tenacidad del metal de soldadura es extremadamente sensible a su microestructura (como el tamaño de grano, las inclusiones y las segundas fases). Cualquier defecto metalúrgico, por mínimo que sea, puede provocar una disminución drástica de la tenacidad.

Normas y métodos clave de inspección

❶ Ensayo de impacto Charpy con entalla en V

● Normas: ASTM A370 / ASTM E23 (Norma estadounidense), ISO 148-1 (Norma internacional), GB/T 229 (Norma nacional china).

● Indicadores:

⑴ Energía de impacto absorbida: A una temperatura específica (p. ej., -50 °C, -60 °C o incluso -101 °C), la energía de impacto mínima de una sola probeta y la energía de impacto promedio de un grupo de tres probetas deben cumplir con los requisitos de la norma o especificación de diseño. Por ejemplo, en el sector del GNL, se suele requerir una alta energía de impacto incluso a -196 °C.

(2) Expansión lateral: Cantidad de deformación plástica en la parte posterior de la probeta después de la fractura. Este es otro indicador importante de tenacidad, que generalmente requiere ≥ 0,38 mm.

(3) Porcentaje de fractura de la fibra: El porcentaje de área ocupada por el labio de corte, que también refleja directamente la tenacidad.

❷ Ensayo de desplazamiento de apertura de la punta de la grieta

● Normas: ASTM E1820, BS 7448.

● Aplicaciones: Para estructuras particularmente críticas o de paredes gruesas, el ensayo CTOD es más preciso que el ensayo de impacto Charpy para medir la resistencia de un material a la propagación de grietas, proporcionando parámetros de diseño de mecánica de fractura. Mide el desplazamiento crítico de apertura de la punta de la grieta.

Puntos clave para la selección y el control de consumibles de soldadura

● Utilice consumibles de soldadura de aleaciones con alto contenido de níquel (Ni) (como consumibles para aceros 3.5Ni, 5Ni y 9Ni). El níquel reduce significativamente la temperatura de transición dúctil-frágil.

● Asegúrese de que el consumible de soldadura produzca una microestructura de soldadura pura y fina (como ferrita de grano fino y bainita inferior).

● Controlar estrictamente el aporte térmico de la soldadura y la temperatura entre pasadas para evitar el crecimiento excesivo del grano y garantizar la tenacidad.

二. Integridad de la soldadura en condiciones extremas：Condiciones de fluencia a alta temperatura (> 500 °C)

Estas estructuras se encuentran comúnmente en calderas de centrales eléctricas, tuberías de vapor, turbinas de gas y reactores químicos. La principal amenaza es la deformación progresiva y la fractura bajo tensión sostenida y alta temperatura.

Los indicadores de rendimiento más exigentes: Resistencia a la fluencia y tenacidad a la fractura por fluencia.

❶ Resistencia a la fractura por fluencia

● Requisito: El metal de soldadura debe ser capaz de resistir la fractura durante su vida útil de diseño (p. ej., 100 000 horas/200 000 horas) a la temperatura y tensión de trabajo de diseño.

● ¿Por qué es tan exigente?: A altas temperaturas, la capacidad de difusión de los átomos metálicos aumenta. Incluso si la tensión es inferior al límite elástico, se producirá una deformación plástica lenta y continua (fluencia), que finalmente conducirá a la fractura bajo una tensión muy inferior a la resistencia a la tracción. La soldadura es el punto más débil en la falla por fluencia.

❷ Plasticidad de fractura por fluencia

● Requisito: El metal de soldadura debe presentar suficiente elongación y reducción de área cuando se produce la fractura por fluencia.

● ¿Por qué es tan importante?: Las soldaduras con baja plasticidad son propensas a la fisuración de tipo IV durante la fluencia, que se produce por una falla prematura en la zona de grano fino de la zona afectada por el calor (ZAC) del metal base. Este tipo de fisuración es difícil de detectar y extremadamente peligrosa. Una alta plasticidad de fractura por fluencia permite cierto grado de deformación y redistribución de tensiones, lo que previene la fractura frágil por fluencia.

❸ Estabilidad de la microestructura

● Requisitos: La microestructura del metal de soldadura debe permanecer estable a altas temperaturas durante períodos prolongados, sin transformación de fase excesiva, crecimiento de precipitados ni formación de fases perjudiciales (como la fase σ o la fase de Laves).

● ¿Por qué es riguroso?: Estos cambios en la microestructura aceleran significativamente el proceso de fluencia, lo que provoca una pérdida prematura de resistencia y plasticidad.

Normas y métodos de inspección clave

❶ Ensayo de fractura por fluencia

● Norma: ASTM E139 (Método estándar para ensayos de fluencia, fractura por fluencia y fractura por tensión).

● Indicadores:

▶ Resistencia a la fractura por fluencia: Valor de tensión que provoca la fractura del material a una temperatura específica después de un tiempo determinado (p. ej., 10⁵ horas, 10⁶ horas). Estos son los datos fundamentales para la evaluación de consumibles de soldadura.

▶ Vida útil a la fractura por fluencia: Tiempo hasta la fractura bajo una tensión y temperatura determinadas.

▶ Alargamiento/reducción de área por fractura por fluencia: Un indicador clave de la plasticidad a la fractura por fluencia.

❷ Ensayo de tracción a alta temperatura durante un corto tiempo

● Norma: ASTM E21.

● Aplicación: Si bien no reemplaza las pruebas de fluencia a largo plazo, proporciona la resistencia a la fluencia y la resistencia a la tracción del material a altas temperaturas, lo que constituye la base para el diseño y la selección.

❸ Análisis de microestructura

● Métodos: Microscopía metalúrgica, microscopía electrónica de barrido, espectroscopía de energía dispersiva.

● Aplicación: Para examinar muestras de soldadura después de un envejecimiento prolongado o de uso real, evaluando la evolución de los carburos, la precipitación de fases perjudiciales, etc., y verificando la estabilidad de su microestructura.

Puntos clave para la selección y el control de consumibles de soldadura

● La composición del consumible de soldadura debe coincidir con la del metal base y tener buena resistencia al revenido y estabilidad microestructural (generalmente contiene elementos que estabilizan los carburos, como Mo, V y Nb).

● Para la soldadura de aceros diferentes, se debe tener especial cuidado al seleccionar los materiales de soldadura (por ejemplo, aleaciones a base de níquel) para que coincidan con los diferentes coeficientes de expansión térmica y el comportamiento de fluencia.

● El proceso de soldadura debe garantizar que la soldadura y la zona afectada por el calor estén libres de defectos y que se obtenga una microestructura estable mediante un tratamiento térmico adecuado.

三：Resumen y comparación