En la reparación de rotores, ¿estamos tratando de igualar la dureza del material original?
- Fernando E. Romero, P.E.
- hace 4 días
- 8 min de lectura
Un lector (gracias, Alex) me hizo recientemente dos preguntas que merecen una respuesta seria, porque surgen con más frecuencia de lo que uno esperaría en el campo.
Preguntas:
Al reparar un rotor, ¿se intenta igualar la dureza original del material?
¿Hay situaciones en las que se recubriría intencionalmente una sección del rotor con un material más duro para prevenir daños futuros?
Ambas preguntas son excelentes. Voy a dar una respuesta corta antes de entrar en los principios de fondo.
Respuesta corta:
Sería ideal si pudiéramos. Pero también depende de lo que estemos tratando de lograr.
Sí. Dado que los procesos que usamos para restaurar ejes tienen el efecto secundario de producir materiales duros, aprovechamos esa característica y aplicamos materiales que ofrecen mayor resistencia a la erosión y al desgaste.
Pero la respuesta real a ambas preguntas requiere entender por qué igualar la dureza es más difícil de lo que parece. 😉
Análisis profundo
Hablamos en el contexto de reparaciones de ejes de turbinas de vapor o compresores, turbomaquinaria.
Empecemos por hacer una distinción importante entre estos dos tipos de máquinas.
La mayoría de los rotores de compresores centrífugos consisten en un ensamble de impulsores montados en un eje.
Si el rotor de un compresor sufre daños en el eje, existe la opción de desmontar los impulsores, reparar el eje y luego reensamblar el rotor.
También es conveniente y económico, si el daño en el eje es extenso, fabricar un eje nuevo y reutilizar los impulsores existentes.
Ahora bien, algunas turbinas de vapor de baja potencia y velocidad también se fabrican con discos ensamblados sobre un eje.
Pero la mayoría de las turbinas de vapor de "Propósito Especial" según el API 612, en servicios críticos, se diseñan como "rotores integrales", lo que significa que los discos forman una sola pieza con el rotor. Estos rotores se fabrican así, como forjas.
¿Y saben qué? Fabricar forjas toma mucho tiempo, y los lugares que pueden suministrar materiales de la calidad requerida son muy pocos.
Para poner las cosas en perspectiva: fabricar una forja para una turbina de vapor de tamaño modesto puede tomar de 8 a 12 meses.
En contraste, procurar una forja en barra para fabricar un eje de compresor puede tomar 4 o 5 semanas.
Esos largos tiempos de espera para las forjas de turbinas de vapor son los que han impulsado a la industria de reparaciones a encontrar formas inteligentes de restaurar superficies metálicas.
Hablemos ahora de los tipos de daño en ejes y rotores que podemos observar al inspeccionar una turbina de vapor o un compresor que ha estado en servicio por más de 10 años.
Rasguños superficiales
Las áreas expuestas del eje frecuentemente reciben rasguños leves en las zonas de sellos y cojinetes. Pueden ser producto de impurezas en el sistema de lubricación, daños durante la instalación o retiro de sellos y cojinetes, el desmontaje del rotor, entre otros.
Los rasguños son normales. A veces tienen una profundidad de solo 0.001" a 0.002" (25 a 50 µm o micras) y se pueden eliminar con un leve pulido..
Picaduras por corrosión
Si un área del eje no está bien preservada y está en contacto con humedad, puede desarrollar picaduras por corrosión.
En la imagen de referencia (ilustración 2), la superficie del acople hidráulico ha sido comprometida por picaduras.
La profundidad de estas picaduras puede ser de más o menos 0.002" (50 µm).
Si instalamos un cubo de acople nuevo, el contacto entre el cubo y el acoplamiento no será óptimo, por lo que estas áreas necesitaran restaurarse.
Podríamos rectificar la superficie para eliminar las picaduras, pero eso cambiaría la ubicación axial del cubo y puede generar un riesgo de seguridad si esta información no se comunica bien a sitio.
Ranuras por desgaste (Grooving)
En las zonas de sello es común observar ranuras producto del roce leve de sellos estacionarios contra el eje durante la operación. Esto es muy frecuente en compresores, en las zonas de sello entre etapas y en las zonas de sello de proceso.
Estas ranuras pueden tener una profundidad de 0.005" a 0.010" (0.13-0.25 mm). Para prevenir fugas, estas áreas necesitan restaurarse.
Ahora que tenemos una imagen de cómo son los daños comunes, volvamos a la pregunta original.
Al reparar un rotor, ¿estamos intentando igualar la dureza original del material?
Si tenemos un rotor dañado y queremos restaurar su geometría agregando material, lo ideal sería igualar la dureza original. Al fin y al cabo, las especificaciones del material original se eligieron para proporcionar las propiedades necesarias para que el rotor esté en forma y condición apta para el servicio.
Lamentablemente, no existe una forma sencilla de agregar material a un rotor fabricado en acero de baja aleación y obtener las mismas propiedades originales, sin alterar el material base original y sin requerir algún tipo de tratamiento térmico posterior.
¿Qué pasa si restauramos una superficie de eje con soldadura?
Cuando soldamos, digamos con un proceso de arco sumergido, o TIG, o MIG, fundimos tanto el metal base (sustrato) como el metal de aporte, y el resultado es un tratamiento térmico no intencional en esa zona fundida (donde ambos metales se mezclan).
Llamamos a eso la zona afectada por el calor (Heat Affected Zone o HAZ, por sus siglas en inglés). La HAZ termina con una microestructura diferente a la del material original y, en consecuencia, con una dureza diferente, una resistencia diferente, e incluso puede tener tensiones residuales producto de la operación de soldadura.
Para restaurar y sanar esta HAZ, debemos aplicar un Tratamiento Térmico Post-Soldadura (Post Weld Heat Treatment, PWHT). Pero para que sea efectivo, debemos alcanzar el 100% de la HAZ. Y dependiendo de la geometría del rotor, si está en estado ensamblado o si tiene álabes instalados, esto no siempre es factible.
La mayoría de las temperaturas objetivo para un PWHT en un acero de baja aleación Cr-Mo rondan los 1,100 a 1,200 F. (595 a 650 °C)
Ese nivel de calor también aumenta el riesgo de causar distorsión en cualquier área del rotor que ya esté en dimensiones finales (es decir, un cojinete, un acoplamiento) puede distorsionarse.
En resumen, el riesgo de daño colateral durante una reparación por soldadura de un rotor es alto. Por eso la usamos cuando debemos hacer reconstrucciones mayores: reconstruir un disco completo en un rotor integral de turbina de vapor, o restablecer la superficie de sellos atmosféricos, cojinetes y acoplamientos.
¿Qué pasa si usamos termo rociado o espray térmic0 (thermal spray)?
Digamos que el daño no requiere una "reconstrucción mayor". Hablamos de restaurar una zona de sello con algunas picaduras de corrosión, un cojinete con algunos rasguños, o un acoplamiento con daño por desgarre al retirarlo.
Si el espesor de restauración no supera las 0.050" (1.3 mm) de espesor, consideraríamos un rociado térmico como High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) como candidata.
He explicado las diferentes tecnologías de restauración de superficies en un artículo previo en mi sitio.
Frecuentemente usamos Carburo de Tungsteno, comúnmente denominado WC (por las primeras letras de sus símbolos atómicos).
Los sopletes o pistolas HVOF son literalmente lanzallamas supersonónicos en los que inyectamos polvo de WC en el flujo ardiente. La temperatura funde el polvo metálico, y la velocidad garantiza que se obtenga un recubrimiento muy denso que se adhiere al metal base.
La cosa, es que se obtiene una superficie muy dura.
Por eso lo usamos con cuidado en cojinetes (asegurándonos de no aplicarlo demasiado grueso para evitar que se fisure).
Lo usamos en zonas de sello, donde mejoramos la resistencia al desgaste de las superficies.
Lo usamos en los agujeros internos de impulsores y en aplicaciones donde necesitamos restaurar un espesor delgado garantizando que el recubrimiento no se fisure ni se desprenda.
¿Por qué no proyectar un polvo de acero de baja aleación? ¿No obtendríamos mejores resultados?
Aquí ocurre lo mismo que con la soldadura.
Cuando el polvo de acero de baja aleación fundido cae sobre el metal base, se enfría muy rápido, y el recubrimiento completo se convierte en martensita sin templar, y la martensita es muy frágil.
Es como si estéramos "pegando" pequeños fragmentos de un metal con la composición química correcta, pero muy frágiles, que no se adhieren bien entre sí.
Para empeorar las cosas, no es posible aplicar un PWHT a una capa de recubrimiento tan delgada. El recubrimiento se fisura y se desprende durante el proceso.
Por diseño, el HVOF y el WC producen un recubrimiento duro. Lo usamos para restaurar, y nos gusta pensar que también lo usamos para mejorar esas mismas superficies haciéndolas más resistentes al desgaste.
La advertencia es asegurarse de entender bien el proceso, para no terminar con un recubrimiento que puede fisurarse en servicio.
¿Y si usamos rayos láser?
Imaginemos lo mejor de ambos mundos. Un proceso de soldadura que produce un enlace metalúrgico que tuvo un bebe con una antorcha de térmo rociado.
Eso es lo que nos ofrece la "deposición de metal por láser" (Laser Metal Deposition O LMD), la soldadura láser o el “laser cladding”.
Es importante hacer una distinción rápida, porque el tema de la aplicabilidad y validez de la soldadura láser para reparaciones de rotores puede ser debatido interminablemente por ingenieros. Tanto, que API RP 687, por ejemplo, no considera la soldadura láser una reparación válida.
API 687 es explícito: indica que la soldadura láser "no se recomienda para reparaciones de ejes debido a experiencia y procedimientos insuficientes."
Yo personalmente no estoy de acuerdo con esa posición. La soldadura láser existe desde hace mucho tiempo y ha sido implementada y validada por muchos fabricantes y talleres de reparación.
A pesar de lo que dice el API, todos los fabricantes de equipo original que conozco aplican LMD. Todos los proveedores de servicios independientes que conozco también la aplican.
Todos usamos la soldadura láser, no necesariamente para proporcionar soldaduras estructurales, como si estuviésemos uniendo componentes que van a soportar altas cargas. La usamos principalmente para restaurar espesor sobre material dañado.
O para instalar un escudo duro o “cladding” sobre superficies de desgaste.
La soldadura láser, como los otros métodos de soldadura, implica calentar tanto el metal sustrato como el polvo de soldadura, por lo que igual se produce una HAZ.
La diferencia está en su tamaño o espesor. En mi experiencia, y lo he medido, la HAZ de una restauración con láser es aproximadamente el 10% del espesor que se obtendría con soldadura de arco sumergido.
En un taller de reparación de turbomaquinaria, usamos una combinación de métodos para reparar rotores.
¿Cuál método aplicamos?
Para entender qué método aplicar, hay que entender el daño, la causa raíz, las implicaciones de la reparación y contar con un proceso validado.
A veces la primera opción de reparación es "no hacer nada". Dependiendo de la condición, algunos rasguños pueden ser superficiales o lucir mucho peores de lo que realmente son. Por eso una evaluación de condición apropiada, realizada por un inspector calificado usando métodos de examinación no destructiva (NDE), es la que determina cuál es el caso.
Una segunda opción en algunos casos es remover el daño y restablecer una superficie limpia. A esto se le llama "undersizing" o "subdimensionado o bajo medida". Si la cantidad de daño es de unas pocas milésimas de pulgada o micras, se puede rectificar una nueva superficie.
A la mayoría de los dueños de equipos no les gusta esto, porque no se está restaurando el eje a su dimensión original y tiene un impacto en la necesidad de compensar los nuevos tamaños del eje en cojinetes y sellos.
Pero en una emergencia, el undersizing es una opción válida.
Y por último, si debemos restaurar una superficie, podemos elegir uno de los tres métodos que describí y los tengo ilustrados en el gif posterior.
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