Inspección de la grieta de la válvula de globo en la tubería principal de vapor de la caldera

Una válvula es un componente esencial de la caldera que soporta la presión y está suspendida en la tubería de la misma. Si el cuerpo de la válvula presenta fugas o grietas durante su funcionamiento, puede suponer un riesgo significativo para la seguridad del personal y del equipo. El ZG20CrMoV, un acero perlítico de baja aleación resistente al calor, se utiliza comúnmente en válvulas de calderas. Se caracteriza por una buena resistencia térmica. Elementos formadores de carburo como Cr, Mo y V se añaden principalmente al acero. La adición de V conduce a la formación de partículas de VC estables y dispersas con carbono en el acero, lo que beneficia a elementos como Cr y Mo. Estos elementos se integran en la solución sólida para fortalecer la matriz de ferrita, mejorando eficazmente la resistencia térmica del acero. Sin embargo, el acero presenta baja fluidez durante la fundición. Defectos como grietas térmicas, segregación de impurezas y agujeros de gas superficiales se forman fácilmente en las esquinas durante la fundición, lo que provoca concentración de tensiones en secciones variables. Este artículo examina las grietas en la válvula de globo de la tubería principal de vapor de una caldera recién instalada. A través de la investigación en el sitio, la recopilación de datos y el análisis de laboratorio, este estudio explora la causa del accidente para proporcionar una referencia para mejorar la calidad de fabricación de válvulas y prevenir incidentes similares.

Una caldera en construcción en una empresa específica se denomina QC330/920-110-10.1/540. Presenta un diseño al aire libre con un sistema de circulación natural de vapor y agua. El tambor de vapor está fijado al marco de acero de la plataforma superior, y toda la pared del horno de la caldera consiste en una membrana refrigerada por agua. La superficie de calentamiento dentro del horno consta de un sobrecalentador primario, un sobrecalentador secundario, un evaporador de tubo desnudo, un evaporador de tubo con aletas y un economizador de tubo con aletas relativamente independiente. La presión de trabajo de la tubería principal de vapor es de 10,1 MPa y la temperatura de trabajo es de 540 °C. Las especificaciones de la tubería son 219 mm x 22 mm, fabricadas en 12Cr1MoVG. El modelo de la válvula es J61Y-P54 170V-150, fabricada en ZG20CrMoV.

En mayo de 2020, se instalaron y soldaron la tubería principal de vapor y el ramal de la caldera. Había seis Válvulas de globo En la plataforma, tres de las cuales (V1, V2 y V3) presentaron grietas de diversa gravedad en el lado del cuerpo de la válvula, en las soldaduras a tope, tras la soldadura. No se encontraron los documentos de certificación de calidad de este lote de válvulas durante la revisión de datos. Además, el fabricante de la válvula no proporcionó estos documentos a tiempo, por lo que no se pudo obtener la información de fabricación pertinente. La válvula de globo agrietada se muestra en la Figura 1.

La superficie de la soldadura a tope de la válvula de globo agrietada está bien formada, presenta una pequeña cantidad de recubrimiento residual y no ha recibido tratamiento térmico posterior. A juzgar por el desprendimiento de pintura en el cuerpo de la válvula, se puede inferir que el precalentamiento previo a la soldadura se realizó mediante llama directa, lo cual no cumple con la normativa vigente. En concreto, cuando el diámetro exterior de la tubería supera los 219 mm o el espesor de la pared supera los 20 mm, se debe utilizar calentamiento por resistencia cerámica flexible, calentamiento por radiación infrarroja lejana o calentamiento por inducción.


Figura 1 Plataforma de vapor principal y válvulas de globo


Figura 2 Grietas en la válvula V1

La parte con grietas en la parte inferior de la válvula V1 se cortó mecánicamente y se muestreó (véase la Figura 3). La composición química de la muestra del cuerpo de la válvula se analizó con un espectrómetro de lectura directa al vacío (GS1000-1, OBLF, Alemania) (véase la Figura 4). Los datos de composición química obtenidos en los tres puntos de medición se muestran en la Tabla 1. La Tabla 1 muestra que el contenido de fósforo (P) y silicio (Si) en los tres puntos de medición superó los valores estándar, mientras que las demás composiciones químicas se mantuvieron dentro de un rango razonable.


Figura 3 Ubicaciones de muestreo en el cuerpo de la válvula


Figura 4 Superficie de prueba de la muestra

Tabla 1 Composición química de la muestra (%)

Nota: Las condiciones técnicas para ZG20CrMoV se especifican en JB/T 9625-1999, 'Condiciones técnicas para piezas fundidas de acero resistentes a presión para accesorios de tuberías de calderas'.

Se utilizaron métodos de pulido mecánico y grabado químico para realizar el análisis metalográfico de la válvula V1 agrietada. La Figura 5(a) muestra la estructura metalográfica de la parte intacta de la válvula, que incluye martensita y ferrita en forma de aguja. La Figura 5(b) muestra la estructura metalográfica en la punta de la grieta, que incluye martensita y ferrita, granos gruesos, una estructura irregular y grietas transgranulares.


(a) Parte intacta (b) Punta de la grieta
Figura 5 Estructura metalográfica de la válvula V1

La Figura 6 muestra la estructura metalográfica de una válvula sin grietas, que incluye perlita y ferrita en forma de bloque con granos gruesos. Es evidente que esta estructura difiere de la mostrada en la Figura 5(a).


Figura 6 Estructura metalográfica de la válvula sin grietas

Se utilizó un durómetro portátil Leeb (HT-2000A, G&B Technology) para comprobar la dureza tanto de la válvula V1 agrietada como de una válvula sin grietas. Los puntos de prueba de dureza se etiquetaron como A, B y C, como se muestra en la Figura 7. Cada punto se analizó cinco veces. Los cinco puntos de prueba se dispusieron horizontalmente, con una distancia aproximada de 5 mm entre ellos. La Figura 8 muestra los valores promedio de dureza para diferentes puntos de las dos válvulas.

Como se muestra en la Figura 8, los valores promedio de dureza de las tres partes de la válvula sin fisuras se encuentran en el rango de 140 a 201 HB, lo que cumple con los requisitos de la norma JB/T 9625-1999 "Condiciones técnicas para piezas fundidas a presión de accesorios para tuberías de calderas". Por el contrario, los valores promedio de dureza de las tres partes de la válvula V1 superan el límite superior. Esto sugiere que la formación de una estructura martensítica es la causa directa de la dureza excesiva, lo cual concuerda con los resultados del análisis metalográfico.


Figura 7 Sitio de prueba de dureza


Figura 8 Valor de dureza de la válvula V1 y válvula sin grietas

Se obtuvieron dos probetas de impacto de 55 mm x 10 mm x 10 mm de la parte intacta de la válvula, como se muestra en la Figura 9(a). Los valores de tenacidad al impacto de ambas probetas fueron de 3,25 J/cm² y 3,10 J/cm², respectivamente, tras el ensayo de impacto a temperatura ambiente, lo cual está muy por debajo de los requisitos de la norma JB/T 9625-1999 (valor de tenacidad al impacto ≥ 29 J/cm²). La macrofractura es cristalina, sin labio de cizallamiento evidente, y se clasifica como fractura frágil, como se muestra en la Figura 9(b).


Figura 9 Prueba de impacto

La sección transversal de la muestra de impacto se escaneó utilizando un microscopio electrónico de barrido (EVO18, Carl Zeiss, Alemania). Como se muestra en la Figura 10, muestra características de los pasos de clivaje y patrones de río en forma de abanico, que son indicativos de superficies de clivaje frágiles. La fractura frágil se puede dividir en fractura policristalina (de clivaje) y bolsillos de fractura intercristalina según el modo de destrucción microscópica del cristal. La fractura de clivaje es una fractura de baja energía que ocurre a lo largo de planos cristalográficos específicos de bajo índice (planos racionales) bajo la acción de la tensión normal externa. Generalmente es frágil, rara vez sufre deformación plástica y tiene una sección transversal cristalina con muchos planos fuertemente reflectantes. Este plano es a menudo el plano cristalino con una mayor densidad atómica en el cristal porque su capacidad de enlace atómico interplano es más débil, lo que lo hace más propenso a dividirse cuando se somete a fuerza. La fractura frágil a menudo ocurre en áreas con agujeros, inclusiones y segregación generadas durante la fusión, reducción, purificación de grano y fundición.

 
Figura 10 Morfología SEM de la sección transversal