Estudio de Investigacin de Turbinas Hidrulicas, Recuperacin por Soldadura de una Turbina Pelton de Acero Inoxidable Martenstico

CONGRESO LATINOAMERICANO CUZCODr. Ing. Mario Lozada Reynoso

Definicin de turbinaTurbina es el motor rotativo que convierte la energa mecnica en energa elctrica usando la corriente de agua. Lo mas importante aqu es la Rueda Hidrulica porque en ella es donde se produce tal transformacin. En ella, la energa potencial del agua se transforma en energa mecnica, o bien, su energa cintica se transforma en energa mecnica.Figura 2.8 Rueda movidas por arriba ((12)Pedro Fernndez Dez TURBINAS HIDRULICAS)Figura 2.9 Rueda movidas por el costado((12)Pedro Fernndez Dez TURBINAS HIDRULICAS)Figura 2.10 Rueda movidas por abajo ((12)Pedro Fernndez Dez TURBINAS HIDRULICAS) Ruedas o Rodetes Hidrulicos.

Partes de una Turbina Rodete DistribuidorGenerador

Partes de una Turbina PeltonCmara de distribucinInyector

Partes de una Turbina PeltonDeflector CangilonesCarcasaRueda

Por La Cada del AguaH: Salto Hidraulico1. Represa de Concreto2. Vlvula de entrada3. Rodete Hidrulico4. Generador Elctrico5. Transformador elctrico6. Cables de alta tensinTurbinas de gran cada (gran altura): turbinas PeltonTurbinas de media cada: Turbinas FrancisTurbinas de baja cada: Turbinas Kaplan

Tipo de TurbinaAltura, Cada o Salto HidraulicoTurbina Pelton60 a 1500 metrosTurbina Francis60 a 150 metrosTurbina KaplanHasta 60 metros

Hidroelctricas en el PerCUADRO 1. PRODUCCIN DE ENERGA ELCTRICA DEL SEIN 2003 POR EMPRESA Produccin Hidroelctrica

Definicin de Acero InoxidableSegn la Norma Europea EN 10088 se define a los aceros inoxidables como aquellas aleaciones frreas que contienen cromo en una proporcin mnima del 12 %.

El cromo contenido en los aceros inoxidables forma una pelcula pasivante continua y estable en la superficie de los mismos. Esta pelcula pasivante de xido de cromo (Cr2O3) es extremadamente delgada (10 a 50 angstroms. Es decir 1 a 5 x 10-7 mm de espesor) y esta presente en el acabado de los aceros inoxidables.

Seleccin de Aceros Inoxidables

Soldadura de los Aceros InoxidablesMicroestructura en Diferentes partes de la Soldadura Metal de Base No afectado por el Calor de la Soldadura (100x)Zona Afectada por el Calor (100x)Lnea de Fusin entre el MB y metal de soldadura(100x)Metal de soldadura depositado (100x)Metal de Base No afectado Zona Afectada por el Calor

Criterios de Soldabilidad

Introduccin

Tipo AISIComposicin QumicaPropiedades generales y AplicacionesCCrNiOtros elementos403

410

414

416431

420

420 F420 A

440 B

440 C0.15 mx.

0.15 mx.

0.15 mx.

0.20 mx.0.30 0.40

0.60 0.75

0.75 0.950.95 1.2011.5 13.0

11.5 13.5

11.5 13.5

15.0 17.012.0 14.0

12.0 14.0

16.0 18.016.0 18.0

16.0 18.0-

3.5 - 4-

1.25

2.50-----Si 0.50 mx.

Si 1.00 mx.Mn 1.00 mx.

Si 1.00 mx.Mn 1.00 mx.P S Se 0.07 mn.Mo Zr 0.60 mx.Mn 1.00 mx. / Si 0.50 mx.Si 1.00 mx.Mn 1.00 mx.Si 1.00 mx.Mn 1.00 mx.Si 1.00 mx. / Mn 1.00 mx.P S Se 0.07 mn.Zr Mo 1.00 mx.Mo 0.75 mx. / Si 1.00 mx.Mn 1.00 mx.Si 1.00 mx. / Mo 0.75 mx.Mn 1.00 mx.Mo 0.75 mx. / Si 1.00 mx.Mn 1.00 mx.Tipo Turbina: para lminas forjadas o maquinadas de turbina y compresorTipo turbina: acero inoxidable de bajo costo para aplicaciones generales, en forma de piezas para turbinas hidrulicas, tornillos, bujes, cuchillera, piezas templadas o piezas para motores a chorro.Tipo Turbina: para resortes, lminas de cuchillos, etc.Tipo Turbina: de maquinado fcil.Tipo Turbina: de mejores propiedades mecnicas y de mayor resistencia a la corrosin dentro de los tipos martensticos o endurecibles; piezas para aviones.Tipo cuchillera: instrumentos quirrgicos, cojinetes de esfera, vlvulas, etc.Tipo cuchillera: de maquinado fcil.Tipo cuchilleras y resistente al desgaste; dureza elevada, para cuchillera, instrumentos quirrgicos, vlvulas, cojinetes, etc. Idem.Tipo cuchilleras: es el ms duro y endurecible de los aceros inoxidables martensticos; asientos, pistas de rodamiento, piezas.

Problemas de SoldabilidadProblemas de Soldabilidad de los Aceros Inoxidables Martensiticos Problemas de tipo Fsico.

Coeficiente de Dilatacin: La Conductividad Trmica: Resistividad ElctricaMagnetismo:

Problemas de tipo MetalrgicoPrecipitacin de Compuestos de elementos Intersticiales y Fisuras en fri Pueden ocurrir en el metal de soldadura o ZAC. El metal completamente martensitico es ms susceptible a corrosin intergranular debido a la precipitacin de compuestos intersticiales. Hay prdida de propiedades mecnicas como la ductibilidad y Tenacidad. Esto sucede debido a los altos niveles de temperatura que sufre el acero en el momento de la soldadura.

Se pueden presentar:Puede ocurrir fisuracin en fri en el metal de soldadura o ZAC.El metal completamente martenstico es poco susceptible a corrosin intergranular por precipitacin de compuestos intersticiales, pero las altas temperaturas provocadas por la soldadura producen la fusin de elementos de bajo punto de fusin. Por tal motivo hay prdida de propiedades mecnicas como la ductibilidad y Tenacidad.

Prevenciones: Usar Materiales de aporte de bajo contenido de carbono Soldar con arcos cortos sin oscilacin (si oscila no mayor a 1/2 el dimetro del electrodo). Emplear soldaduras con alto contenido de Cromo Empleo de aceros Inoxidables estabilizados (Nb o Ti) Problemas de Soldabilidad

Temperaturas de martensita en el acero DIN 13/4Ubicamos al acero DIN 13/4 en el diagrama de Schaeffler haciendo los clculos del Cromo equivalente y Nquel equivalente, Observamos que se ubica en la zona de presencia naturalmente de Martensita y ferrita (zona critica, el acero es susceptible a fisuracion en fri a temperaturas inferiores a 400 C), esto indica que los parmetros de soldadura, pre y post calentamiento, y tratamiento trmico final deben de manejarse con mucho cuidado. Los parmetros para el templado del acero al cromo blando martensitico se muestran el la tabla : Propiedades Metalurgicas

Propiedades Metalrgicas Un acero al 13% de cromo alcanza en estado de revenido una resistencia a la traccin de aprox. 700 N/mm2. Un acero martenstico DIN 13/4 tambin revenido llega, en cambio, a aproximadamente 900 N/m2 de resistencia a la traccin y a 0C valores de impacto considerablemente mejores. Para obtener en un acero al cromo del 13% una resistencia a la traccin de 900 N/mm2 es necesario que el acero contenga aprox. 0,2 %C, lo que lo hace inservible para temperaturas bajas.

Propiedades MetalrgicasLa fotografa nos muestra la estructura de este acero 13Cr - 4Ni en la condicin de colada. Aunque la estructura es martensita tosca, algunas porciones no corrodas blancas pueden observarse. stos retienen austenita que no ha sufrido la transformacin martensitica. Esta estructura de colada cambia a una estructura de martensita dura despus del tratamiento trmico en el proceso siguiente.

El desgaste es uno de los fenmenos que se presenta en todo tipo de maquinaria, siendo uno de los factores de mayor incidencia en la duracin de un equipo.

Es fundamental para la seleccin de un proceso de reparacin el conocimiento de los diferentes tipos de esfuerzos y condiciones de desgaste a que esta sometida una pieza Introduccin : Desgaste

Desgaste por Cavitacin

Desgaste por Erosin

Desgaste por Corrosin

Desgaste por Impacto Fatiga

Tipos de Desgastes

Diferentes tipos de desgastes y corrosin en ruedas hidrulicas Tipos de Desgastes

Flujos que pasan de zonas de baja presin a zonas de alta presin.

Formacin de Burbujas

Choque continuo

Presiones puntuales de 30,000 a 50,000 psi

Evaporacin de agua en puntos de mayor velocidad

Desgaste por Cavitacion

Flujos que pasan de zonas de baja presin a zonas de alta presin.

Formacin de Burbujas

Choque continuo

Presiones puntuales de 30,000 a 50,000 psi

Evaporacin de agua en puntos de mayor velocidad

Desgaste por Cavitacion

Desgaste por Cavitacin Influencia de la Composicin del liquidoLas propiedades fsicas de los lquidos Son muy importantes para conocer ms el fenmeno de la cavitacin, estos son definidos por sus caractersticas fsicas, tales como: Viscosidad, tensin de vapor, densidad, compresibilidad, tensin superficial, solubilidad de los gases etc.Como conclusin podemos decir que la cavitacion es mayor en lquidos de menor densidad y de menor Viscosidad.

Entonces, la cavitacin es mucho ms dbil en los aceites que contienen mayor viscosidad y densidad comparada con el agua dulce.

Desgaste por Cavitacion Geometra de las piezasEstas caractersticas rigen evidentemente en la aparicin de la cavitacin o mecanismos de desgaste sobre la pared del alabe o los accesorios con una forma dada y a una determinada velocidad de desplazamiento.El diseo de la pieza en este caso del alabe en contacto con el lquido en movimiento, el estado de la superficie, etc; son condiciones tomadas en cuenta porque en estas pueden dar la aparicin de los mecanismos de cavitacin.

6.2 .1 Desgaste por Cavitacin Comportamiento de las soldadurasSe han ensayado electrodos de acero al cromo-nquel de los tipos 18-8 austenitico, 13-4 martensitico y 25-12 ferritico. Los mejores resultados de ensayos de cavitacin en el laboratorio se han obtenido con el acero 13-4, tanto si la soldadura est formada por una o dos, capas

Estas depende de:Cantidad y Naturaleza de las partculas en suspensin.

Se producen frecuentemente por aglomeraciones de sustancias slidas que oscilaban entre 1 y 5 Kg. /m3 .

Angulo de ataque de las partculas en suspensin. Desgaste por Erosin

Desgaste por Erosin Una partcula slida es presionada con la corriente con la fuerza Fp C/R contra una superficie fija y arrastrada a todo lo largo con la velocidad Vp, con lo que se produce una grieta que desprende el material.

La combinacin de la Erosin mas la Cavitacin acelera el desgaste Este fenmeno se produce de la siguiente manera: 1. Se tiene una superficie lisa en la cual primeramente se produce el fenmeno de cavitacin que hemos descrito:

2. La cavitacion produce superficies de gran irregularidad

Desgaste por Erosin

Desgaste por Corrosin El agua dulce incluye aguas contaminadas, de ros, lagos, represas, pozos, etc. En este medio, los factores ms importantes son en el sentido de acelerar la velocidad de corrosin estn representados por gases disueltos en agua. El hidrgeno acta no slo por si mismo, sino tambin acelera la accin del dixido de carbono, y de otros gases slidos disueltos en el agua. El dixido de carbono acta por que es muy soluble en el agua y posee gran reactividad qumica. En aguas dulces naturales, el efecto del pH entre 4,5 y 9,5 % es mnimo.

Defectos por Esfuerzo de Impacto Fatiga Defectos de tamao crtico como por ejemplo porosidades, inclusiones de escoria o problemas de corrosin intergranular que en el momento de la reparacin por soldadura o manufactura no han sido detectados, podran ocasionar ruptura durante servicio, debido a la propagacin de grietas por esfuerzos de fatiga causada por cierto nmero de los ciclos de carga.

7.2 Recuperacin por el Proceso SMAWControl de los Cangilnes