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UNIVERSIDAD LIBRE DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA

POSTGRADO EN SOLDADURAS

Metalurgia de las uniones soldadas.

EL AGRIETAMIENTO INDUCIDO POR HIDRGENO O AGRIETAMIENTO EN FRIO

PRESENTE EN SOLDADURAS

Por: CRISTHIAN CAMILO QUIROGA WALTEROS

Tutor: Ing. ANDRES RENGIFO FERNANDEZ

Bogot 15 de noviembre del 2014.

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EL AGRIETAMIENTO INDUCIDO POR HIDRGENO O AGRIETAMIENTO EN FRIO

PRESENTE EN SOLDADURAS

RESUMEN: El agrietamiento inducido o asistido por hidrgeno (HIC) en soldaduras por fusin de aceros ferrticos se presenta siempre y cuando existan simultneamente los siguientes factores: un nivel crtico de concentracin de hidrgeno, un nivel crtico de esfuerzos de traccin y una microestructura susceptible, normalmente martensita. El mecanismo de nucleacin y crecimiento de este tipo de grietas se explica por el efecto fragilizante que tiene el hidrgeno en el acero, por su alta rata de difusin y por la existencia de zonas con esfuerzos triaxiales mximos en el frente de una entalla o concentrador de esfuerzos. La ubicacin de estas grietas, es decir si se presentan en el metal fundido o en la zona afectada por el calor (ZAC), se explica a travs de las diferencias que presenta el acero en estado austenitico (estructura cbica de cara centrada) y en estado ferrtico (cbico de cuerpo centrado) en cuanto a la solubilidad y difusividad de hidrgeno atmico, para lo cual la templabilidad relativa entre el metal base y el metal fundido se convierten en los factores fundamentales para poder predecir su localizacin en uniones soldadas.1 PALABRAS CLAVES: Agrietamiento inducido por hidrgeno (HIC), zona afectada por el calor (ZAC), fragilizacin. ABSTRACT: Hydrogen induced or assisted cracking (HIC) in fusion welds on ferritic steels is associated with the combined effects of the following variables: presence of a critical concentration of hydrogen, a critical level of tensile stresses and a susceptible microstructure, usually martensite. Incubation and growth mechanism for this kind of cracking is explained by the hydrogen embrittlement of steels, the very high diffusion rate of hydrogen into the steel and the existence of a maximun triaxial stress state in front of a notch or stress increaser. The location of these cracks, in the weld metal or in the heat affected zone (HAZ), is explained by the differences on atomic hydrogen solubility and diffusivity between austenitic steel (face-centered cubic) and ferritic steel (body-centered cubic); the relative hardenability among parent metal and weld metal is the basis for a correct prediction of the HIC location in welded joints. KEYWORDS: Hydrogen induced cracking (HIC), heat affected zone (HAZ), embrittlement.

1 Agrietamiento inducido por el hidrogeno en soldaduras de acero, Proyecto de grado UN de Colombia,

Medelln Por Jorge Enrique Giraldo Cesar Augusto Chaves 21/01/02 (Base de datos del Proquest)

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1. INTRODUCCION LA SOLDADURA COMO TRATAMIENTO TERMICO.2

Soldar, es llevar los bordes de las partes a ser unidas hasta el punto de fusin adicionndole o no un metal de aporte y luego permitir al conjunto enfriarse hasta Temperatura ambiente. Lo ms relevante de este proceso es sin duda el calentamiento localizado seguido de enfriamiento que produce en las piezas soldadas una serie de EFECTOS INDESEABLES. Las velocidades de calentamiento y enfriamiento son elevadas. La velocidad mxima alcanza los 300C /seg, durante el calentamiento y/o enfriamiento a un nivel de temperatura de 1000C, reducindose al disminuir la temperatura a valores de 6C / seg, a 550C. La Velocidad de enfriamiento en el centro del cordn de soldadura puede aproximarse con la siguiente frmula:

Ve: Velocidad de enfriamiento en el centro del cordn de soldadura K: Conductividad trmica del metal (Joule/ m seg. C) K acero 0,2% C, 0,6% Mn: 0,028 K cobre: 0,20 K aluminio: 0,12 To: Temperatura inicial del metal base (T de precalentamiento) Tc: Temperatura a la cual se calcula la velocidad de enfriamiento H Input: Heat Input o Calor Aportado (J / mm) En el proceso de Welding, se presentan por lo general tres efectos indeseables del ciclo trmico de soldadura, los cuales son: Generacin de Tensiones Residuales y/o distorsin Modificacin de la Estructura Metalogrfica Absorcin de gases por el metal fundido. Para comprender mejor las consecuencias del agrietamiento o fisuracion inducida por hidrogeno se debe comprender por qu se origina este fenmeno, la absorcin de gases por la soldadura es un problema frecuente que se presenta en procedimientos de Welding, sobretodo en procesos donde la coalescencia se origina por procesos de Arc Welding. Uno de los Problemas ms importantes a tener en cuenta cuando se estudian los Efectos Indeseables del proceso de Soldadura es la Absorcin de Gases por el Metal Fundido. Cualquiera que sea el procedimiento de Fusin, en el acero lquido se fijan cantidades ms o menos importantes de los gases del aire (Oxigeno y Nitrgeno) y de los productos de descomposicin del revestimiento, principalmente Hidrgeno procedente de la humedad o del agua de cristalizacin de ciertas substancias qumicas.

2 Texto curso de inspectores de soldadura IAS TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA, Sec 2 Cap 5.

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El Oxgeno puede presentarse disuelto o formando xido de hierro o combinado con otros xidos. En estado disuelto puede influir sobre las propiedades mecnicas de la Solucin Slida Ferrita; en estado de xido influye por la presencia de inclusiones en la tenacidad y estriccin del metal de soldadura. El Nitrgeno origina al nitruro de hierro Fe4N en forma de agujas que tambin influye en la tenacidad. Cuando el Nitrgeno se encuentra disuelto produce el envejecimiento del acero con la correspondiente falta de plasticidad. Pero el verdadero problema y mucho ms grave es que durante la Soldadura el acero tambin absorbe Hidrgeno, lo mismo que absorbe oxgeno y nitrgeno. Las Soldaduras oxiacetilnicas contienen muy poco hidrgeno (2 a 3 por 100g de metal); La concentracin de hidrgeno en las soldaduras por arco es, por el contrario mucho ms importante y puede llegar a alcanzar el lmite de solubilidad de este gas en el metal lquido (28 por 100g de metal) segn sea la naturaleza del revestimiento. El hidrgeno es la causa de la formacin de Microfisuras, sopladuras y es el formador de los Fish-eyes.3 El agrietamiento inducido por hidrogeno (HIC), es un agrietamiento que se puede presentar despus de haberse depositado la soldadura, inclusive se puede presentar ya pasadas semanas, por ello este defecto puede ser bien llamado un agrietamiento producido en frio, porque se presenta en temperaturas ambiente afectando las uniones soldadas por fusin de aceros ferriticos, esta aclaracin se hace porque en algunos aceros inoxidables (el caso del acero austenitico serie 300) no suele sufrir de este fenmeno a menos que hayan sido trabajados en frio. La existencia simultnea de los siguientes factores pueden ocasionar el agrietamiento inducido por hidrogeno: Nivel critico de concentracin de Hidrogeno. Nivel critico de esfuerzos de traccin. Microestructura susceptible, normalmente martensita.

2. DEFINICION DEL PROBLEMA. EL PORQUE DEL ORIGEN Y CRECIMIENTO DE GRIETAS.

Es una propiedad del hidrogeno que tenga un efecto fragilizante en el acero por su alta rata de difusin, El agrietamiento inducido o asistido por hidrgeno tambin se conoce con los nombres de agrietamiento en fro, agrietamiento retardado o agrietamiento debajo del cordn. Este tipo de grietas ocurren a menudo algn tiempo despus de que se completa la soldadura, sin embargo los factores que generan el problema provienen de la etapa de fabricacin dependiendo del procedimiento de soldadura que se utilice. El HIC en elementos soldados de acero est asociado con la existencia simultnea de los siguientes tres factores: (1) presencia de hidrgeno, (2) esfuerzos de traccin y (3) una microestructura susceptible, normalmente martensita; un

3 Metalurgia de la soldadura, Cap V. Daniel Seferian. Madrid 1962.

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cuarto factor mencionado con frecuencia es la temperatura de formacin la cual est por debajo de los 200C.4 El que este fenmeno de falla est ntimamente relacionado con la presencia de un cierto nivel de concentracin de hidrgeno no debe resultar extrao debido a que este elemento tiene una potente influencia fragilizadora en el acero tal como se ha demostrado por la experiencia y las numerosas investigaciones que se han efectuado al respecto hace ms de un siglo. La presencia de hidrgeno en solucin supersaturada en el acero est asociada con la fragilizacin de la ferrita y de la martensita; la fragilizacin de la ferrita es la causante de la formacin de ojos de pescado durante los ensayos de traccin cuasiestticos o con las sombras blancas en la aplicacin de cargas cclicas; la fragilizacin de la martensita es el fundamento del agrietamiento en fro de las soldaduras.5

3. CRECIMIENTO DE GRIETAS EN FRIO.

3.1. El hidrgeno en el hierro y el acero. El hidrgeno atmico puede ser introducido en los aceros de varias maneras, como por ejemplo en el proceso de tratamientos superficiales, tales como decapados con cidos o electroplateado, durante un tratamiento trmico, durante la soldadura, etc. En el caso de la soldadura, el hidrgeno se introduce ya que el arco elctrico es capaz de disociar el hidrgeno gaseoso (H2) o los compuestos basados en hidrgeno (como el agua o el vapor de agua) que puedan estar presentes en la atmsfera o en los fundentes de los consumibles de soldadura; la disociacin de estos compuestos en hidrgeno atmico facilita que el metal fundido absorba cierta cantidad de este elemento de una manera proporcional a su concentracin en la atmsfera del arco. La rpida rata de difusin de los tomos de hidrgeno en la matriz de hierro alfa (cbico de cuerpo centrado) a temperatura ambiente se explica por la diferencia en el tamao atmico de estos elementos: el dimetro atmico del hidrgeno es 1 mientras el del hierro es de 2,58. Lo anterior implica que el hidrgeno entra en solucin slida intersticial en el hierro, tal como lo hacen el nitrgeno y el carbono (con dimetros de 1,4 y 1,54, respectivamente), pero debido a su tamao relativo a los espacios intersticiales de la celda y, por consiguiente, a la poca deformacin que induce, el movimiento del hidrgeno dentro de la red cristalina se vuelve ms sencillo que el presentado por los dems elementos. La fuerza impulsora para la difusin del hidrgeno en el acero puede ser debida fundamentalmente a un gradiente de composicin de hidrgeno, un estado de esfuerzos no uniforme o una combinacin de ambos. El agrietamiento retardado puede ocurrir en un amplio intervalo de esfuerzos aplicados y, a partir de los datos obtenidos de pruebas de laboratorio con cargas sostenidas, se puede

4 Interrante and Stout, Welding Journal Abril 1964 Articulo base de datos Proquest.

5 Agrietamiento inducido por el hidrogeno en soldaduras de acero, Proyecto de grado UN de Colombia,

Medelln Por Jorge Enrique Giraldo Cesar Augusto Chaves 21/01/02 (Base de datos del Proquest)

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afirmar que el comportamiento de aceros fragilizados con hidrgeno depende del nivel de esfuerzos, del tiempo y de la temperatura como se ilustra en la Figura 1.6

Figura 1. Curva de agrietamiento inducido por hidrgeno (agrietamiento retardado) o curva de

fatiga esttica.7

3.2. Efectos de las grietas en frio inducidas por Hidrogeno.

Zonas de triaxialidad de esfuerzos y propagacin de grietas: Cuando se aplica un esfuerzo unidireccional en un material que contenga una entalla, se generan dos esfuerzos transversales adicionales al esfuerzo longitudinal aplicado que no son uniformes en los lmites de la entalla existente, tal como se ilustra en la Figura 2, y producen un estado triaxial de esfuerzos que se vuelve mximo en un punto ms all del borde de la entalla; la magnitud de estos esfuerzos depender de la agudeza de la entalla, siendo menos crtica para el caso de discontinuidades de forma esfrica (como un poro o una inclusin de escoria) que para el caso de una planar (como una grieta o una falta de fusin). A partir del desarrollo de una teora de esfuerzos triaxiales,8 la cual asume que la fragilizacin se ocasiona por la concentracin de hidrgeno cerca de estas entallas. Su teora predice que en la regin de mximos esfuerzos triaxiales cerca de una cavidad o de un incrementador de esfuerzos, se encontrar una concentracin de hidrgeno atmico en solucin que excede el nivel en equilibrio de los alrededores. Esta concentracin de hidrgeno en la entalla es inocua; se requiere de una cantidad crtica de esfuerzos para causar que este hidrgeno sea perjudicial. La fuerza impulsora para la difusin de hidrgeno dentro de esta regin es inducida por el gradiente de esfuerzos creado por la zona de esfuerzos triaxiales, lo cual sugiere que se necesita de un estado de esfuerzos no uniforme para la formacin de grietas

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EL AGRIETAMIENTO INDUCIDO POR HIDRGENO EN SOLDADURAS DE ACERO Articulo Internet. Jorge Enrique Giraldo Cesar Chaves. U. Nacional de Colombia, Medelln. 8 Articulo de internet Troiano, A. The role of hydrogen and other intersticials in the mechanical behavior of

metals. ASM Transactions. 1960. base de datos de Pearson.

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inducidas por hidrgeno. El crecimiento de la grieta ocurre cuando el hidrgeno alcanza una concentracin crtica en la zona de mximos esfuerzos triaxiales que posibilita que la grieta se incremente hasta esta zona; se interrumpe el crecimiento de la grieta momentneamente hasta que el hidrgeno vuelva a viajar por difusin al frente de la grieta expandida hasta alcanzarse nuevamente, una concentracin de hidrgeno crtica. La propagacin de la grieta se da por la repeticin sucesiva de este mecanismo despus de que el hidrgeno pasa por difusin al frente de la grieta y alcanza nuevamente una concentracin crtica, lo cual hace que la caracterstica de propagacin de estas grietas sea discontinua. Un mtodo para estudiar la fragilizacin por hidrgeno es cargar probetas entalladas con una cantidad conocida de hidrgeno, someterlas a diferentes esfuerzos (cada probeta a esfuerzo constante) en una mquina que les induzca una carga continua y determinar el tiempo para la falla. Si se grafica la variacin del esfuerzo aplicado con el tiempo para la fractura de un material con cierta concentracin de hidrgeno se obtiene una curva similar a la ilustrada en la Figura 1. Observe que en la curva existen: el esfuerzo crtico superior por encima del cual la falla es inmediata, el esfuerzo crtico inferior por debajo del cual no existir falla a pesar del tiempo de aplicacin de la carga y una regin central donde el tiempo para la falla se hace menor cuando mayor es el esfuerzo aplicado. La similitud de la curva de agrietamiento retardado con las curvas de fatiga Esfuerzo-Nmero de ciclos (S-N) ha llevado a que se emplee el trmino de fatiga esttica para referirse al fenmeno de grietas asistidas por hidrgeno. 9

Figura 2. Distribucin de esfuerzos triaxiales alrededor de una entalla o concentrador de esfuerzos (Dieter, 1988).10

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10 Articulo de internet Dieter, George E. Mechanical Metallurgy. 1988.

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3.3. Condiciones para que se origine una fisuracion inducida por Hidrogeno (HIC).11

Este tipo de fisuracin tiene lugar si se presentan simultneamente las siguientes condiciones: - Una Concentracin de Hidrgeno Crtica. - Tensiones de Traccin Elevadas. - Una Microestructura Susceptible. - Una Temperatura entre -100C y + 200C.

3.3.1. Formacin: El hidrgeno atmico debe considerarse un verdadero veneno de los Aceros Ferrticos (Los Inoxidables Austeniticos, serie 300 no sufren HIC, salvo cuando estn deformados en fro). Puede difundir a travs de la Estructura Cristalina del Acero debido a su pequeo dimetro atmico recombinndose a hidrogeno molecular en espacios vacos tales como exfoliaciones o inclusiones, formando ampollas a veces de hasta un (1) metro de dimetro en chapas relativamente finas (19mm). Puede quedar algo de hidrogeno en forma atmica anclando dislocaciones y reduciendo la ductilidad. Peor aun puede producir fisuras en zonas de alta dureza tales como metal de soldadura, ZAC y puntos duros. A este proceso se le denomina Fisuracin Inducida por Hidrgeno (HIC). Esta recombinacin acumula molculas de hidrgeno en forma gaseosa desarrollando presiones suficientemente altas para romper enlaces atmicos y generar fisuras si la microestructura no es plstica. Las presiones generadas se calculan tericamente (en forma aproximada) y llegan a valores de 105(cien mil) Atm. En el caso del Nitrgeno estos mismos clculos dan valores de 4 Atm. De lo anterior surge la peligrosidad del Hidrgeno frente al Nitrgeno o cualquier otro gas. Cantidades tan pequeas como 0,0001 % ( ) en peso pueden producir fisuras en el acero.12

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Texto de internet, Curso de inspectores de soldadura IAS TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA. Termo Soldex S.A. Bs.As. Arg. 12

Texto de internet, Curso de inspectores de soldadura IAS TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA. Termo Soldex S.A. Bs.As. Arg. Capitulo 6, numeral 6.1.1.

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Figura 3. La resistencia de un acero entallado conteniendo hidrgeno pasa por un mnimo

cerca de Temperatura ambiente.

4. ACEROS RESISTENTES A LA PENETRACION DE HIDROGENO. Dentro de los materiales mas usados en la industria petroqumica se encuentran los aceros Resistentes a la Penetracin de Hidrgeno, aleados al CrMo lo que le proporciona al acero las siguientes propiedades: En general estos aceros deben trabajar a altas temperaturas y por lo tanto tienen propiedades refractarias. Deben resistir la Corrosin a Altas Temperaturas, el Creep, La Fatiga Trmica y por ltimo deben tener Resistencia a la Penetracin de Hidrgeno, propiedad que logran gracias a la pelcula de oxido de Cromo impermeable a este tipo de contaminante. Por otra parte como el Carburo de Cr es menos fcil de disociar que el CFe3 no se descompone en C y Cr. Pues el C podra asociarse con el Hidrgeno para formar Metano y de esta manera se producira poros y descarburacin del acero (Hydrogen Attack). La presencia de Molibdeno (Mo) adems de mejorar la resistencia al Creep es para evitar la fragilidad de Revenido (una forma de fragilidad que tiene lugar cuando un acero templado es calentado o cruza lentamente el rango de temperaturas de 500 / 550C), Tratamiento Trmico utilizado como TTPS de estos aceros para disminuir la dureza de la ZAC y metal de aporte.13

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Texto de internet, Curso de inspectores de soldadura IAS TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA. Termo Soldex S.A. Bs.As. Arg. Capitulo 6, numeral 6.1.2.

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5. TRATAMIENTOS TERMICOS PARA PREVENIR EL AGRIETAMIENTO INDUCIDO POR HIDROGENO.14

Con todo lo que puede salir mal en una soldadura, una juiciosa aplicacin de un tratamiento trmico puede influir mas que cualquier otro factor para obtener juntas sanas y sin efectos indeseables.

5.1. Tratamientos usuales de soldadura. Tratamiento trmico antes de la soldadura.

5.1.1. Deshidrogenado Hidrogen bake out: El nico calentamiento que puede realizarse antes de la Soldadura es el llamado Deshidrogenado (baking, Bake - out en Ingles). Tiene como objetivo remover del material a ser soldado el hidrgeno que pudiese haber quedado debido al efecto contaminante, en servicio, de substancias que generan hidrgeno atmico ya que los equipos que han estado en presencia de Hidrgeno atmico son susceptibles de fisurarse durante su reparacin por Soldadura. La causa es la presencia de Hidrogeno atmico en el material base, y es imperativo eliminarlo antes de soldar. Este gas, en forma atmica, penetra en el acero causando Fisuracin, porosidad, empolladuras y prdida de ductilidad. Con el paso del tiempo, el Hidrgeno atmico difunde en el retculo cristalino del acero recombinndose a hidrogeno molecular en espacios vacos tales como exfoliaciones o inclusiones, formando excepcionalmente ampollas de hasta un (1) metro de dimetro en chapas relativamente finas (19mm). Puede quedar algo de hidrogeno en forma atmica anclando dislocaciones y reduciendo la ductilidad. Peor aun puede producir fisuras en zonas de alta dureza tales como metal de soldadura, ZAC y puntos duros. A este proceso se le denomina Fisuracin Inducida por Hidrgeno (HIC). Por qu aplicar un Deshidrogenado antes de aplicar la soldadura? Las piezas que han estado en presencia de Hidrogeno atmico son susceptibles de fisurarse durante su reparacin por soldadura. La causa es la presencia de Hidrogeno atmico en el material base. Este gas, en forma atmica, penetra en el acero causando fisuracin, porosidad, empolladuras y perdida de ductilidad. Un caso particular es la presencia de cido sulfhdrico (H2S), que acelera la entrada de Hidrgeno y aumenta la actividad de hidrogeno atmico. El resultado es a veces mal llamado Corrosin Bajo Tensin por cido sulfhdrico porque en realidad es una forma de HIC.

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Texto de internet, Curso de inspectores de soldadura IAS TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA. Termo Soldex S.A. Bs.As. Arg. Capitulo 6, Seccion III.

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Problemas a corregir cuando se aplica un deshidrogenado en el metal base.15 1. La fragilizacin por Hidrogeno de aceros Ferriticos ocurre solo a bajas

Temperaturas, cercanas a la temperatura ambiente. Es posible evitar la Fisuracin en microestructuras duras mantenindolas un tiempo a suficientemente alta Temperatura, ya sea para permitir al hidrogeno difundir fuera del material y/o para que la microestructura se ablande por revenido. Este principio se emplea en soldaduras multipasadas y en TTPS.

2. Otro problema que puede producir el Hidrogeno es a alta temperatura, se denomina Ataque por hidrogeno (Hydrogen Attack) y ocurre cuando el hidrogeno atmico reacciona con el carbono de los carburos produciendo burbujas de metano. Las consecuencias son, prdida de resistencia mecnica por descarburacin del acero y la generacin de sopladuras o poros con Metano. Este problema puede ocurrir en Servicio a altas temperaturas de equipos de procesamiento de petrleo o cuando se deshidrogena a Temperaturas demasiado elevadas (>250C). Fuentes usuales de hidrogeno atmico son: Reacciones de diversos procesos qumicos Adicin de Hidrgeno con propsitos varios Presencia de Hidrgeno atmico en el producto. Aplicacin de recubrimientos Electrolticos Procesos de Limpieza Qumica de xidos. (Pickling) Proteccin Catdica Eventual descomposicin de la Humedad.

3. Un caso particular es la presencia de cido sulfhdrico (H2S), que acelera la entrada de Hidrgeno y aumenta la actividad de Hidrogeno atmico. El resultado es a veces mal llamado Corrosin Bajo Tensin por cido sulfhdrico porque en realidad es una forma de HIC. La Asociacin de Ingenieros de Corrosin (NACE), norma MR-01-75, "Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Materials for ol field equipment", establece que para evitar HIC la dureza tanto del Material Base como el material de Aporte y ZAC no debe superar los RC 22.

5.1.2. Temperaturas de deshidrogenado. Las temperaturas corrientes de Deshidrogenado no estn tan acotadas como las de los tratamientos trmicos post soldadura y suelen variar entre 150C y 450C aunque las temperaturas ms apropiadas rondan los 200C 250C. Un incremento en la Temperatura por encima de la Temperatura ambiente incrementa la velocidad de difusin del hidrgeno y de esa manera se acelera su remocin de la soldadura. Este

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Texto de internet, Curso de inspectores de soldadura IAS TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA. Termo Soldex S.A. Bs.As. Arg. Capitulo 6, Seccion III.

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efecto es particularmente marcado en el rango de 20C a 150C. Por encima de los 150C la velocidad de difusin sigue aumentando pero a un ritmo menor. Figura 4. Para elegir la Temperatura de Deshidrogenado hay que tener en cuenta los siguientes factores: 1. Debe ser superior a 200C ya que por encima de esa temperatura todo el

Hidrgeno es atmico, condicin necesaria para su difusin.

2. El aumento de la velocidad de difusin por encima de los 150C no es tan importante como por debajo de 150C

3. Si bien existe la tentacin de realizar deshidrogenados a temperaturas superiores para maximizar la velocidad de difusin (450C a 650C) debe tenerse en cuenta que a temperaturas superiores a 200C /250C el hidrogeno atmico puede reaccionar con los carburos (especia lmente con carburos simples de Hierro y menos probablemente con carburos de Cromo) con el doble perjuicio de decarburar el acero disminuyendo su resistencia mecnica y de formar burbujas de metano (CH4). Este tipo de falla se lo denomina Ataque por Hidrogeno (Hydrogen Attack) y tambin suele ocurrir en servicio a alta temperatura de equipos de Refineras de Petrleo.

4. La solubilidad del Hidrogeno en el hierro aumenta con la temperatura y por lo tanto a altas temperaturas el hierro disuelve en equilibrio mas Hidrogeno que a bajas temperaturas de esa manera quedara mas hidrogeno en la red de hierro que realizando el deshidrogenado a mas bajas temperaturas, adems a altas temperaturas la fuerza impulsora (debida a la sobresaturacin) para expulsar al hidrogeno es menor. Este factor no ha sido comprobado experimentalmente por lo que la formacin de Metano por Ataque por Hidrogeno (Hydrogen ttack) es el mas tenido en cuenta.

Figura 4. La Velocidad de difusin del Hidrgeno en acero Ferritico disminuye por encima de los

150C

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5.1.3. Tiempos de dehidrogenado.16 La remocin del hidrgeno de los metales esta controlada por el fenmeno de Difusin que obedece a la segunda ley de Fick descripta matemticamente por:

(

)

donde C es la concentracin del elemento que difunde, en nuestro caso Hidrogeno, t es el tiempo, x es la distancia que se mueven los tomos de Hidrogeno y D es el coeficiente de Difusin que depende del radio atmico del material que difunde (H), el tipo de mecanismo de Difusin, las caractersticas del medio(Acero o el material que corresponda) donde se realiza la Difusin, por ejemplo temperatura de fusin, estructura cristalogrfica, cantidad y calidad de los aleantes, y Fundamentalmente la Temperatura (A mayor Temperatura mayor movilidad atmica y mayor coeficiente de Difusin. Esta ley describe la relacin entre la concentracin de Hidrgeno en el Acero, el tiempo y su distribucin espacial. Es interesante reconocer que este mismo tipo de ecuacin describe el flujo de calor y la distribucin de Temperaturas en un slido que se enfra. El tiempo aparece en la expresin adimensional Dt/L2, donde D es el coeficiente de difusin para la temperatura y material en consideracin y L es la dimensin determinante del slido que puede ser el semiespesor de una chapa, barra o cubo, en el caso donde se presenten geometras circulares el radio para las formas cilndricas. Esta expresin debe ser adimensional por lo que como el factor D esta expresado en cm/ debe cuidarse que las unidades de t y L sean las apropiadas. Los valores de tiempo para tratamientos a temperaturas del orden de 250C de chapas con espesores de 40mm para una reduccin del contenido de Hidrgeno del 50% es de alrededor de 8 horas, esto se comenta por que la mayora de las veces los tratamientos de deshidrogenado se realizan a las temperaturas correctas pero con tiempos menores a los prescriptos. A veces se realiza un deshidrogenado de tres o cuatro horas a bajas temperaturas (250C) para remover parte del hidrgeno y luego un deshidrogenado a 600C. Esto se realiza de esta manera ya que a alta temperatura (600C) podra formarse algo de metano (Ataque por Hidrgeno) si no le hubiramos retirado algo de Hidrgeno a mas baja temperatura.

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WELDING STEELS WITHOUT HIDROGEN CRACKING Editado por: The Welding institute.

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Tabla 1. Estimacin del porcentaje del original de Hidrgeno remanente en el centro de una Soldadura de L=20 mm despus de varios tipos de Tratamiento de Deshidrogenado.

5.2. Tratamientos usuales durante la soldadura Precalentamiento Preheat. Existen algunos puntos bsicos para precalentar el metal base: 1. El precalentamiento es la principal defensa contra la Fisuracin Inducida por

Hidrogeno (HIC) permitiendo a este difundir fuera del metal de soldadura.

2. Disminuye la velocidad de enfriamiento del metal de soldadura y de la ZAC, el resultado es una microestructura mas dctil y resistente a la fisuracin.

3. Disminuye algo las Tensiones Residuales al reducir la diferencia de temperatura entre el Metal de Soldadura y el material base minimizando la contraccin.

4. Mantiene al acero a una temperatura superior a aquella por debajo de la cual ocurre fractura frgil.

5. Compensa las perdidas de calor en secciones gruesas de acero y especialmente en aleaciones de alta conductividad trmica como cobre o aluminio evitando fallas por falta de fusin del Material Base.

6. Reduce la porosidad debida a la presencia de humedad.

5.3. Tratamientos trmicos post-soldadura. T.T.P.S (Post-Weld Heat Treatment P.W.H.T) Los tratamientos trmicos post-soldadura se hacen principalmente para controlar los siguientes fenmenos que se pueden presentar: 1. Disminuye la dureza de la ZAC, metal de soldadura y material base. El resultado es una

microestructura mas dctil y resistente a la fisuracin.

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2. Aumenta la resistencia a la corrosin y a la fisuracin por corrosin bajo tensin

(Como se mencionaba con anterioridad es una forma de HIC).

3. Al reducir las tensiones residuales aumenta la estabilidad dimensional de estructuras soldadas y mecanizadas.

4. Al Reducir las tensiones residuales aumenta la Tenacidad del material., por disminucin de la Triaxialidad.

5. Al Reducir las tensiones residuales aumenta la Resistencia a la Fatiga.

5.4. Post-calentamiento. Este tipo de T.T.P.S. es realmente una prolongacin del precalentamiento y esta dirigido a remover el hidrogeno que pudiese quedar luego de la soldadura. Se suele utilizar en reparaciones cuando el TTPS es imprctico o inseguro para la instalacin. Ver National Board I.C.

6. CONCLUSIONES. Fueron expuestos los conceptos que gobiernan la nucleacin y el crecimiento de las grietas inducidas por hidrgeno y se plantearon las condiciones que se deben reunir para su formacin en soldaduras por fusin de aceros ferrticos; igualmente, se present una explicacin del porqu estas grietas pueden presentarse en el metal fundido o en la ZAT segn las caractersticas de templabilidad de los metales involucrados en una unin soldada. Posteriormente se dio a conocer algo referente a los tratamientos trmicos que se deberan involucrar cuando la pieza a soldar es propensa a verse afectada por hidrogeno, donde se pudieron apreciar los tratamientos trmicos antes de la aplicacin de la soldadura, durante y posterior al proceso, las bondades y ventajas que trae realizar debidamente cada proceso trmico en las condiciones que se recomiendan. En general se quiso mostrar un esquema general de los escenarios que se pueden dar cuando una pieza sufre un agrietamiento inducido por hidrogeno el cual siempre o en la mayora de veces se va a ver en su mayor nivel ofensivo al metal base y de aporte cuando se presentan ciertos parmetros en operatividad en servicio, o simplemente cuando la pieza soldada despus de un tiempo prudente esta expuesta a temperaturas cercanas a la de ambiente.

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7. BIBLIOGRAFIA.

- Agrietamiento inducido por el hidrogeno en soldaduras de acero, Proyecto de grado

UN de Colombia, Medelln Por Jorge Enrique Giraldo Cesar Augusto Chaves 21/01/02 (Base de datos del Proquest).

- Metalurgia de la soldadura, Cap V. Daniel Seferian. Madrid 1962.

- Interrante and Stout, Welding Journal Abril 1964 Articulo base de datos Proquest. - Articulo de internet Troiano, A. The role of hydrogen and other intersticials in the

mechanical behavior of metals. ASM Transactions. 1960. base de datos de Pearson. - Articulo de internet Dieter, George E. Mechanical Metallurgy. 1988.

- Texto de internet, Curso de inspectores de soldadura IAS TRATAMIENTO TERMICO DE SOLDADURA. Termo Soldex S.A. Bs.As. Arg.

- WELDING STEELS WITHOUT HIDROGEN CRACKING Editado por: The Welding institute.