Microstructural characterization and mechanical properties of 9%Ni steel welds by submerged arc welding process using nickel-base alloys

Hasta mediados del siglo XX, el gas era considerado como un residuo de la explotacion petrolera con importantes barreras tecnologicas y economicas para su procesado y comercializacion por lo que gran parte de este era quemado en los paises de produccion. Desde finales del siglo XX, el aumento de la demanda de energia sumado con los altos niveles de contaminacion producido por la quema de petroleo y carbon hicieron que se desarrollen las tecnologias y normas para el transporte seguro y rentable de los gases derivados del petroleo. Desde entonces, El gas natural ha tenido una penetracion muy importante en la cadena de consumo debido a su alto poder energetico y a la baja cantidad, comparada con el petroleo y carbon, de residuos, solidos y gaseosos, que han hecho que este se perciba como un combustible limpio. El transporte de este producto se realiza en estado liquido, por medio de 2 tecnologias, presurizacion o por enfriamiento, LPG y LNG. La primera requiere de plantas de presurizado y gasoductos. Las distancias economicamente rentables para la conduccion por gasoducto rondan la docena de miles de kilometros, requiriendo de plantas de re presurizacion a lo largo del gasoducto. Cuando la distancia entre los productores y los consumidores que muy grande la licuacion por enfriamiento a presion atmosferica es la opcion mas economica y segura. En este caso en, el gas obtenido del pozo se conduce hasta la planta de licuefaccion donde se realiza la separacion de los distintos componentes solidos, liquidos y gaseosos, por procesos de filtracion y licuacion diferencial. El Gas natural producto de este proceso se almacena temporalmente en un tanque de LNG mientras en cargado en el barco que lo transportara a destino. Una vez en destino el barco descarga a un tanque de LNG, de donde se suministra a la planta de regasificacion. De esta el gas es canalizado a alta presion por los gasoductos de distribucion o a las plantas de generacion electrica. El Gas Natural, con mas de un 80% de metano tiene una temperatura de licuefaccion alrededor de los -165oC. Temperatura a la cual el gas reduce su volumen por un factor de 600/1. Esta temperatura de operacion hace inviable el uso de materiales ferriticos, debido a que estos presentan un modo de fractura fragil por debajo de una temperatura critica, llamada de transicion. Para la construccion de grandes contenedores el material mas usado en es Acero A-553-T1 que tiene un contenido nominal de 9% de niquel y cuya estructura cristalina esta formada por una matriz de martensita con algo de austenita revenida. Esta microestructura se consigue a traves del doble tratamiento termico; de temple y revenido. Para soldar este acero, para esta aplicacion, no se pueden usar materiales de aportes similares al 9%Ni en vista de la imposibilidad de realizar los tratamientos termicos necesarios para conseguir la homogeneidad de propiedades. Por otro lado, los consumibles de soldadura austeniticos presentan un comportamiento ductil con una alta energia absorbida incluso a -196oC y dentro de estos las aleaciones base niquel de la familia NiCrMo presentan una alta resistencia mecanica, y un coeficiente de expansion termica cercano a del acero 9%Ni. Dentro de esta familia de aleaciones base niquel se ha usado la aleacion Hastalloy C-276, la cual incrementa su resistencia mecanica por solucion solida, siendo los principales aleantes el cromo y molibdeno ambos alrededor de 15%, y con un 2,5% de tungsteno y un 5% de hierro. Aun que esta es una aleacion que en esencia es monofasica Gamma, el ultimo liquido suele transformarse en carburos o fases TCP como la pase Mu y P. Estas tres fases tienen una composicion muy cercana por lo que su identificacion a traves del EDX no es posible. Actualmente, la mayoria de los tanques que se estan construyendo tienen una capacidad de almacenamiento entre los 150.000 y 200.000, por lo que el espesor de chapa de la 1 era virola de entre 27 a 50mm, lo que implica que las soldaduras son multi pasada, necesitandose entre 16 y 30 pasadas para rellenar las juntas de esta primera virola. Normalmente las juntas verticales se sueldan con procesos manuales o semi-automaticos mientras que las horizontales se sueldan con proceso automatico de arco sumergido. Segun las normas de diseno de tanques atmosfericos para almacenamiento criogenico, el espesor de las chapas esta determinado por los Esfuerzos Maximos Admisibles que se calculan a partir de la resistencia mecanica del elemento estructural mas debil, el metal base o la junta de soldadura. En el caso de la soldadura, la resistencia mecanica de esta se determina a partir del ensayo de traccion con probeta cilindricas obtenidas del metal depositado, a partir del cupon de homologacion del procedimiento de soldadura. Durante la homologacion de los procedimientos manuales o semi automaticos los resultados obtenidos en los ensayos de traccion longitudinal y transversal son equivalentes. En el caso de la soldadura automatica de las juntas horizontales, los resultados obtenidos de las tracciones transversales siempre han sido muy superiores a los resultados de las tracciones cilindricas. Ademas de los bajos valores que se obtienen de las tracciones cilindricas del metal de soldadura de las juntas horizontales con respecto a las tracciones transversales, con mucha frecuencia se observa que una importante diferencia en la resistencia presentada los diferentes ensayos de traccion de una misma probeta soldada, siendo estas diferencias mucho mayores que la diferencia observada entre dos condiciones experimentales. Situacion que dificulta la correcta interpretacion de los resultados de los diferentes ensayos o pruebas realizadas. Antes de este trabajo experimental se realizaron otros 6 ensayos y unas cuantas homologaciones de procedimientos, en las cuales se usaron chapas de 12, 21, 26,5 y 27mm de espesor, con hilos de 2,4mm y 1,6mm siempre de la clasificacion AWS A5.14 ER-NiCrMo-4, correspondiente a la aleacion Hastalloy C-276, con diferentes fluxes, niveles de rigidizacion, diametro de probeta cilindrica etc. Este trabajo de doctorado se he realizado sobre el septimo ensayo realizado en verano de 2008 en las instalaciones de Lincoln Electric Cleveland, en que se probaron 4 fluxes, 2 diametros de hilo, corriente alterna y continua y dos niveles de voltaje, desarrollandose un diseno experimental 23 con cada flux. Como se realizaron todas las pruebas correspondientes al DOE, se soldaron 8 probetas por flux, y en total 32 probetas. El objetivo de este ensayo era seleccionar el mejor par alambre fundente, y determinar los parametros optimos para maximizar la resistencia mecanica del metal de soldadura. El material base usado en este experimento fueron chapas de acero A553 T1, con 9%Ni y templadas y revenidas con un espesor de 21mm. El diseno de junta de estas probetas es en “X” asimetrica y desbalanceada con un talon de 1mm y una separacion de 2mm. Siguiendo el diseno de junta real de las chapas de produccion. Con el fin de evitar que el bano de fusion se descuelgue se coloco un respaldo de flux. Los ensayos realizados a cada probeta han sido los siguientes: Tracciones Cilindricas de metal de soldadura: 4 por probetas Charpy V Notch a -196oC Macro Analisis Quimico General, realizado sobre las caras laterales de las macros. Analisis Quimico en las probetas de traccion. Ensayos de microdureza Vickers y Knoob. El par alambre-fundente seleccionado en estas pruebas ha sido usado para el soldeo de ocho tanques: tres en Espana: dos en Gijon 2011-2013 y uno en Bilbao 2014-2015; un tanque en Chile, 2011-2013 y otros cuatro tanques en China, 2011-2013. Con este par se han conseguido buenos resultados en las homologaciones de procedimientos de soldadura de estos proyectos, tanto en las tracciones transversales como en las tracciones cilindricas, cumpliendo con los requisitos de resistencia necesarios en cada proyecto. Durante la produccion se ha depositado un metal de soldadura con muy pocas inclusiones de escoria, presentando buen desescoriado y desgasificado. El objetivo de este trabajo de investigacion es determinar los factores que producen la variabilidad de resultados el los ensayos de traccion, correlacionando los factores estructurales y micro estructurales con las propiedades mecanicas del metal depositado, con el fin de maximizar su resistencia mecanica.