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Recargues Duros por Soldadura en la Fabricación de Válvulas; el Problema del Cobalto, alternativas, ventajas, inconvenientes Por: JOSÉ PIQUER CABALLERO Ringo Válvulas, S.L., Zaragoza INTRODUCCIÓN: La principal aplicación de los recargues duros por soldadura en la fabricación de válvulas, está en el recubrimiento de las caras de contacto metal-metal de los elementos que realizan el cierre hermético de las válvulas, tales como cuñas, asientos y cierres. La operación de los recargues duros es de importancia capital para una fábrica de válvulas o para todo aquél relacionado con el mantenimiento de válvulas, ya que está directamente relacionada con la estanqueidad de las mismas, objetivo primordial de dichos aparatos. Las aleaciones de recargue habitualmente utilizadas en el campo de la valvulería son las aleaciones de base cobalto (stellites), pero en el sector de las centrales nucleares, debido a la activación radiactiva del cobalto, hay una tendencia creciente a sustituir dichas aleaciones por otras llamadas “libres de cobalto”. En esta ponencia se estudiarán las más frecuentes y se deducirán las correspondientes ventajas e inconvenientes de las mismas, en comparación con las aleaciones de base cobalto. ¿QUÉ ES EL RECARGUE DURO? El recargue duro es el proceso de depositar mediante soldadura, una aleación resistente al desgaste sobre una parte metálica para formar una superficie protectora que resista a los desgastes por abrasión, impacto, temperatura, corrosión o una combinación de estos factores. TIPOS DE DESGASTE Abrasión, Impacto, Calor y Corrosión:

Figura 1.- tipos de desgaste. Vamos a estudiar con un poco más de detalle lo que sucede en las superficies de contacto entre los elementos metálicos de cierre de las válvulas, lo que se llama: ROZAMIENTO METAL-METAL Es un caso particular del desgaste, producido siempre que un material sólido esté en contacto con otro, bien quieto o en movimiento.

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El deterioro se produce al transferirse pequeñas partículas de un material al otro o bien más sencillamente al desprenderse y perderse. Un estudio más detallado nos lleva a considerar los diferentes mecanismos de transferencia y/o pérdida de partículas, mecanismos que pueden funcionar aisladamente o en conjunción con otros factores: a) Una primera causa puede ser la oxidación superficial que se produce como consecuencia de las altas temperaturas. 600° C a 1.000° C que durante fracciones de segundo alcanzan los metales en contacto. b) Otra causa que acompaña muy frecuentemente a los demás factores desencadenantes del deterioro es la presencia de materias extrañas entre las superficies de rozamiento. El papel que desempeñan estas partículas depende de su morfología, de sus propiedades y de los niveles relativos de dureza. Las partículas angulosas y duras serán abrasivas mientras que las materias relativamente blandas pueden ejercer en cierto modo un papel lubrificante entre metales más duros que ellas, aunque impidan la estanqueidad. c) Bajo el efecto conjugado de la presión y el calentamiento, se producen entre los metales en contacto micro-soldaduras, seguidas de desprendimientos, su acción conjunta produce el efecto de gripado. El gripado se ve favorecido por la similitud de las redes atómicas de los materiales y dificultado por la introducción de una aleación no propensa a la unión.

Figura 2.- Ejemplos de elementos de cierre de Válvulas de Compuerta (cuñas y asientos) y de Válvulas de Retención (clapetas y asiento), donde se encuentran todos los tipos de desgastes. ALEACIONES DE RECARGUE DURO A la vista de los fenómenos de rozamiento metal-metal y el subsiguiente desgaste, una aleación de recargue duro deberá ser adecuada para soportarlos, y, en consecuencia, deberá presentar las siguientes características: Resistencia a la corrosión, oxidación, temperaturas elevadas, con débil coeficiente de rozamiento, adecuada dureza y resistencia a los choques térmicos: estas características son reunidas por las aleaciones a base de cobalto (STELLITES). Estas aleaciones, a base de cobalto + Cr + W + C, son las que por la experiencia universalmente acumulada, han dado los mejores resultados para su aplicación concreta en superficies de cierre de válvulas.

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PROCESOS DE SOLDADURA PARA RECARGUE DURO Los recargues duros son generalmente aplicados mediante los procesos de soldadura siguientes: 1. Manual: Arco eléctrico con electrodo revestido o TIG manual. 2. Semiautomático: Arco abierto con gas protector (MIG, MAG, hilo tubular) o Arco Sumergido. 3. Automático: Arco abierto con gas protector (MIG, MAG, hilo tubular), Arco Sumergido ó TIG, Plasma transferido, Proyección térmica, automatizados. En primer lugar, hay que decir que todos los procesos utilizados, citados anteriormente, excepto la Proyección térmica, son por medio de un Arco Eléctrico: por lo tanto, se trata de auténticos procesos de "soldadura", donde hay una unión metalúrgica entre el material de recargue y substrato, unión metalúrgica que se realiza por dilución de los dos metales, gracias a la fusión que el arco eléctrico provoca en la superficie del substrato y en toda la masa del material de aportación. La dilución puede oscilar entre un 5% y un 25% según el proceso utilizado. Se llama dilución a la relación (en %) entre el metal-base fundido y mezclado (B), y la suma de este mismo más el metal de aportación depositado sin dilución (A):

% dilución = (B / A + B) • 100

Desde un punto de vista metalúrgico, la composición y las propiedades del recargue, son influenciadas poderosamente por la dilución final obtenida. La dilución debe ser siempre mantenida en el nivel más bajo posible. Es por ello necesario, en el lado práctico del proceso, realizar siempre más de 1 pasada de recargue, con el fin de asegurarse de que las características nominales del metal de aportación de recargue son obtenidas, compensando su pérdida por la dilución. INFLUENCIA DE LOS PARÁMETROS DE SOLDADURA SOBRE LA DILUCIÓN: •

Intensidad de corriente: si aumenta la Intensidad, aumenta la dilución.

•

Polaridad: CCPD da la menor dilución. CCPI da la mayor dilución. CA da la dilución intermedia.

•

Tamaño del electrodo: Pequeño Ø da menor dilución. Gran Ø da mayor dilución.

•

Extensión del electrodo (ver figura 3): Mayor extensión del electrodo disminuye la dilución. Menor extensión del electrodo, aumenta la dilución.

•

Amontonado de los cordones (ver figura 3): Mayor amontonamiento de los cordones los unos sobre los otros, disminuye la dilución, porque se refunde algo del cordón precedente, en vez de más metal base. Cordones separados entre sí, aumentan la dilución.

•

Oscilación del arco (ver figura 3): Mayor oscilación del arco, menor dilución. Los cordones rectos dan la mayor dilución.

•

Velocidad de avance: Mayor velocidad de avance implica menor dilución, siempre que no se aumente excesivamente la intensidad..

•

Posición de soldadura: Las posiciones que menor dilución proporcionan son: plana, vertical descendente y vertical ascendente, jugando con el amontonado de los cordones.

•

Procesos de soldeo: Arco eléctrico con electrodo revestido, y Arco Sumergido, son los que dan mayor dilución; los demás procesos proporcionan menos dilución, pero siempre hay que cuidar la técnica y los parámetros para mantener la dilución lo más baja posible.

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Figura 3.- Influencia de la técnica ejecutoria de la soldadura de recargue sobre la dilución. MATERIALES DE RECARGUE Ya hemos adelantado, que, como consecuencia de la experiencia universalmente acumulada por todos los fabricantes de válvulas, las mejores aleaciones para ser utilizadas como materiales de recargue para los elementos de cierre de las válvulas (asientos, cuñas, clapetas, cierres) son las conocidas con el nombre genérico comercial de STELLITES. Este nombre es una marca registrada de HAYNES DELORO-CABOT-STELLITE, aunque se ha hecho tan popular que se utiliza comúnmente para designar toda la familia de las aleaciones Co + Cr + W + C, aunque sean de otros fabricantes. ALEACIONES BASE COBALTO - "STELLITES" Son aleaciones con contenidos entre 0.9 y 3% de Carbono, 8 a 14% de Tungsteno, 25 a 32% de Cromo y el resto, es Cobalto exceptuando diversos contenidos de molibdeno, hierro, manganeso, silicio y otros. Los porcentajes de Carbono y Tungsteno definen tres diferentes grados de Stellites: Grados 1, 6 y 12. Hay otros grados, pero éstos son los más populares: Sus características principales son: a) Durezas Típicas: Stellite grado 1:

49 a 58 Rockwell C

Stellite grado 6:

38 a 46 Rockwell C

Stellite grado 12:

40 a 49 Rockwell C

Siendo estas durezas dependientes del proceso de soldadura y de las capas de material de aportación depositadas. b) La dureza y resistencia a altas temperaturas es la característica más sobresaliente de este grupo. Superiores a todas las demás aleaciones cuando aquellas propiedades son requeridas a temperaturas superiores a 650° C. c) A temperaturas entre 550° C y 650° C tienen mayor resistencia a la deformación plástica que ninguna otra aleación de recargue disponible comercialmente. d) La Stellita Grado 1 es frágil y agrieta fácilmente cuando se le somete a impacto. La Stellita Grado 6 soporta mejor la compresión.

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e) La presencia de un 25% de Cromo mínimo promueve la formación de una fina capa protectora bajo condiciones oxidantes. f) Estas aleaciones son inoxidables. Son resistentes a la corrosión en medios severos sobre un amplio campo de temperaturas. g) El contenido en carbono es un factor importante con respecto a la resistencia a la abrasión. La Stellita Grado 1 con 2,5% de C. posee la mejor resistencia a la abrasión. h) Las "Stellites" son muy apropiadas para el desgaste metal-metal ya que adquieren un alto grado de pulido y su coeficiente de fricción es muy bajo. De ahí su aplicación universal para asientos de válvulas. i)

Ninguno de estos depósitos es fácilmente mecanizable y las dificultades aumentan a mayores contenidos de Carbono. No obstante la Stellita Grado 6 se mecaniza normalmente con herramienta de carburos. La Stellita Grado 1 debe sin embargo tratarse por esmerilado/rectificado.

j)

Son aleaciones no magnéticas.

k) No responden a tratamiento térmico. STELLITES (*valores máximos) Aleación

Clasificación AWS 5.13

C

W

Cr

Si*

Fe*

Co

DUREZA HRC

STELITE 1 STELLITE 6 STELLITE 12

RCoCr-C RCoCr-A RCoCr-B

2-3 0,9-1,4 1,2-1,7

11-14 3-6 7-9,5

26-33 26-32 26-32

2 2 2

3 3 3

Resto Resto Resto

49 a 58 38 a 46 40 a 49

OTRAS ALEACIONES DE RECARGUE Además de las "Stellites" existen otras aleaciones que se utilizan también en recargues duros de asientos de válvulas, las más usuales son: • los aceros tipo 13% Cr. • los materiales de recargue exentos de cobalto. ACEROS TIPO 13% CROMO Estos aceros son ferríticos ó martensíticos e inoxidables y pertenecen a la serie 400 es decir, típicamente los aceros AISI-410, 420 y 430, con contenidos en Cromo crecientes de 11,5 / 13.5 - 12 / 14-16 / 18%, respectivamente. El grado de dureza alcanzado por el recargue depende en gran medida del contenido de Carbono del substrato, ya que en la dilución subsiguiente se producen Carburos de Cromo, duros. También influye en la dureza final del recargue la formación de martensita. Es por ello que estos aceros se utilizan frecuentemente en recargues sobre aceros al carbono. Suponen una alternativa económica a las Stellites, aunque no llegan a las excelencias de ellas. Son aptos para ser depositados en capas gruesas sin grietas. Los depósitos de estos aceros tienen gran resistencia mecánica y algo de ductilidad. Su resistencia a la abrasión es moderada, pero aumenta con la dureza. Son fácilmente mecanizables con las herramientas adecuadas. Estos tipos de recargues son demandados para válvulas sometidas a frecuentes revisiones de mantenimiento, debido a la facilidad de reparación mediante reconstrucción por

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soldadura, de las superficies de cierre deterioradas por el uso, y también en los casos que se desee una ausencia completa del Cobalto. ACEROS TIPO 13% CROMO C*

Mn*

p*

0,15 1 0,040 0,15 Min. 1 0,040 0.12 1 0,040 *Valores máximos, excepto lo indicado.

S*

Si*

Cr

AISI

0,030 0,030 0,030

1 1 1

11,50/13,50 12/14 16/18

410 420 430

EL PROBLEMA DEL COBALTO EN LAS CENTRALES NUCLEARES La presencia de cobalto en el circuito primario de las Centrales Nucleares es un importante contribuyente del nivel de radiactividad en dicho circuito. Hay dos fuentes principales de cobalto en los materiales del circuito Primario: a) como impureza de componentes tales como: tubos de los generadores de vapor (Inconel e Incoloy); tuberías (acero inoxidable austenítico); internos del reactor. b) como principal elemento de aleación en los recargues de las válvulas y de los mecanismos de las barras de control (Stellite). Estos focos de cobalto dan lugar a que las partículas ricas en dicho elemento, resultantes de la corrosión o del desgaste, una vez liberadas en el circuito primario, son irradiadas y se transforman en activas durante largo período de tiempo, elevando notablemente el nivel de radiactividad en la planta. La consecuencia de ello es que el Mantenimiento de la Central se hace cada vez más dificultoso, al acortarse sustancialmente el tiempo de exposición permitida al personal que ha de hacer trabajos en las zonas activas, aumentando los costes de mano de obra ó provocando la adopción de técnicas costosas de descontaminación de los equipos. Además, el precio del Cobalto y su disponibilidad han sufrido graves alteraciones y encarecimientos, por lo que las válvulas recargadas con aleaciones libres de cobalto tengan un precio ligeramente inferior. Todo ello hace necesario, por lo tanto, encontrar aleaciones de recargue alternativas a las STELLITES. ALEACIONES DE RECARGUE EXENTAS DE COBALTO Se han realizado trabajos de calificación de aleaciones sustitutivas de las STELLITES en USA, UK, Suiza, Rusia, Francia, España, Canadá, Alemania, etc., que han conducido, por ahora, el estado de la cuestión a un puñado de aleaciones aprobadas como: LIBRES DE COBALTO Y SUSTITUTIVAS DE LAS STELLITES. Se debe destacar que hay dos consideraciones básicas a ser especialmente tenidas en cuenta a la hora de calificar aleaciones de recargue, libres de cobalto: a) la nueva aleación debe poder depositarse fácilmente por soldadura. b) las válvulas fabricadas utilizando la nueva aleación alternativa deberán tener la misma expectativa de vida en servicio que aquellas fabricadas con Stellite. (Esto es: la dureza del recargue, su resistencia a la corrosión, su coeficiente de fricción, su resistencia al desgaste y ausencia de tratamiento térmico, deberán ser iguales ó equivalentes a los recargues de Stellite). Las aleaciones libres de cobalto aprobadas actualmente se resumen en esta tabla:

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ALEACIONES DE RECARGUE LIBRES DE COBALTO Aleación Ni Cr C Si Fe B Mo OTROS Colmonoy 5 Colmonoy 4 Deloro 45 Everit 50 Delcrome 910 Antinit 500

Resto Resto Resto — — 8,0

Antinit 300 Thermanit 13/04 Bohler SKWAM

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Dureza

APLICACIÓN EN

HRC

VÁLVULAS PARA CC.NN.

43-48 32-37 35-42 38-42 50-54 50-55

SUIZA/INDIA/MÉXICO

11,5 0,65 3,7 10 0,45 2,2 7,5 0,3 4,0 25 2,0 — 22 3,0 — 18 0,1 4,5

4,2 2,5 2,5 2 1,5 1,5 Resto — Resto — Resto —

— — — 3,5 — 5,5

8,0

21,4

0,1

5,0

Resto

—

—

V: 0,55 Mn: 2,5 Mn: 4.8 Nb: l.l Mn: 6,5

4,5

12,5 0,04

—

Resto

—

—

—

36-40

—

17,5 0,22

—

Resto

—

1,2

—

38-45

27-34

INDIA/MÉXICO REINO UNIDO ALEMANIA REINO UNIDO ALEMANIA RUSIA ALEMANIA

RUSIA ALEMANIA RUSIA ALEMANIA ESPAÑA ARGENTINA SUIZA, SUECIA

Composiciones Nominales Como se puede ver, la aleación de recargue libre de cobalto, que más hemos utilizado es la BOHLER-SKWAM. Esta aleación ha sido propuesta por nosotros a los distintos clientes nucleares y está siendo aceptada paulatinamente. Nuestra preferencia por esta aleación se basa en las siguientes razones, véase cuadro a continuación. A todas las razones anteriores hay que añadir que hemos realizado ensayos de 2000 ciclos de apertura/cierre a 350° C con choque, a escala real, con válvulas de retención de 8" y de globo de 2", con resultado satisfactorio. Estos ensayos fueron la calificación necesaria para poder utilizar el BOHLER-SKWAM en las Centrales Nucleares de Suiza. VENTAJAS DE LOS RECARGUES CON BOHLER-SKWAM •

Soldabilidad: Excelente: la mejor de todas las aleaciones citadas.

•

Comportamiento: Resistente al agrietamiento y a los ciclos térmicos propios de la soldadura. Precalentamiento moderado.

•

Maquinabilidad: Excelente: la mejor de todas las aleaciones citadas.

•

Experiencia en servicio: Excelente. Experiencia de Válvulas en servicio desde hace 24 años.

•

Presentación: Todas las opciones, para todos los procesos: Electrodos recubiertos, Alambre desnudo para TIG ó Arco Sumergido, Hilo tubular.

•

Economía: Es la aleación más económica de todas las citadas.

RESUMEN FINAL 1) La operación de los recargues duros es de importancia capital para una fábrica de válvulas o para aquél que realice su mantenimiento, ya que está directamente relacionada con la estanqueidad de las mismas, objetivo primordial de dichos aparatos. Además, otros factores colaterales son también a considerar, tales como:

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a) la mayor ó menor longevidad de los elementos de cierre de las válvulas, por el desgaste a que están sometidos; b) el mayor ó menor par de accionamiento de las válvulas, por el coeficiente de deslizamiento de los recargues, unos contra otros; c) la mayor o menor dificultad para su deposición por soldadura (precalentamientos más o menos altos; facilidad de soldadura; etc.); d) su mejor o peor maquinabilidad; e) su mayor o menor costo y disponibilidad; f) recargues duros que se deban ejecutar contractualmente con aleaciones especificadas (incluso marcas y modelos comerciales concretos); g) recargues duros exentos de Cobalto, por el problema de la radiactividad adquirida por éste. Debiendo utilizarse en estos casos, aleaciones cualificadas y aprobadas por los clientes.

REFERENCIAS D. SPENCER: "Hardfacing processes and practice, a brief review", Welding Review, May 1988, 84 - 88. D. GERBERT: "Les procédés de Rechargement". Souder, Mars 1991, 3-6. A. THIRIOT: "Notions de base sur les rechargements". Souder. Mars 1992. 4144. G.P. AIREY: "Qualification of Cobalt-free Hardfacing Alloys for PWR Valve Applications". CEGB. D. ELLIS & R.L. SQUIRES: "Weld deposition and properties of nickel based hardfacing alloys". Metal Construction, July 1983, 388-393. ASME IX, 2011 edition.

Figura 4.- Sección transversal de una pieza recargada: se observan las 2 pasadas de aleación de recargue. Se debe asegurar que la superficie mecanizada esté formada únicamente por material de recargue de la 2ª pasada, para garantizar su menor dilución.

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Figura 5.- Diversas piezas recargadas con Stellite 6: Cierre y asientos de válvula de Globo, trabajo realizado manualmente con TIG, debido a la pequeña dimensión de las piezas.

Figura 6.- Cuñas de Válvula de Compuerta recargadas con Stellite 6: recién recargadas en pre-mecanizado (arriba) y terminadas completamente, con inspección LP (abajo).