Métodos para eliminar las tensiones residuales por soldadura

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Estrés residual: Después de la soldadura de los recipientes a presión, se generan estréses residuales en la zona de las soldaduras de la estructura. Se produce debido a las tensiones internas que surgen en los puntos donde la temperatura no se calienta de manera uniforme durante el proceso de soldadura. Estas tensiones llegan al límite de resistencia del material, lo que provoca una deformación plástica en esas zonas. Cuando la temperatura vuelve a su estado uniforme original, las tensiones internas siguen estando presentes en la estructura; por eso se les denomina tensiones residuales. El valor máximo de las tensiones residuales por soldadura, así como su distribución, tienen un impacto negativo directo en la fatiga del recipiente y en fenómenos como la grieta por corrosión bajo tensión. Las investigaciones han demostrado que, una vez que los recipientes se sueldan, las tensiones residuales son inevitables. Aunque ya se conoce en parte el mecanismo por el cual se generan estas tensiones, su nivel varía mucho debido a las dimensiones del recipiente, al proceso de soldadura, a los procedimientos utilizados y a los niveles de restricción aplicados. Además, su distribución es muy compleja. Por lo tanto, es necesario encontrar métodos adecuados para eliminar (o reducir) las tensiones residuales derivadas de la soldadura, a fin de garantizar la calidad y la eficiencia económica durante su fabricación. También es importante asegurar su funcionamiento seguro y evitar accidentes durante su uso. Método de sobrecarga: Bajo condiciones controladas, se aplica al recipiente una (o varias) cargas externas ligeramente mayores que las que se aplican en su estado normal de funcionamiento. La tensión generada por esta carga se suma a las tensiones residuales de soldadura que existen localmente en el recipiente. Cuando la tensión resultante es menor que el límite de resistencia del material, el estado del material es elástico, y existe una relación lineal entre la tensión y la deformación. Cuando la tensión resultante alcanza el límite de resistencia del material, se produce deformación plástica en esa área local. A medida que aumenta la tensión aplicada, la zona donde ocurre la deformación plástica también aumenta, pero el valor de la tensión no aumenta (o aumenta muy poco). Dado que el propio recipiente es continuo, durante el proceso de eliminación de las cargas externas, la zona de deformación por fluencia y la zona de deformación elástica vuelven a su estado elástico al mismo tiempo. Las tensiones residuales causadas por los soldados presentes en el interior del recipiente se reducen parcialmente; la magnitud de estas tensiones residuales eliminadas es igual a la magnitud de las tensiones generadas por las cargas externas. Método de tratamiento térmico integral: Se calienta todo el recipiente ya soldado a una temperatura de 500°C a Ac1, a una velocidad de calentamiento determinada. Luego, se mantiene esa temperatura durante un tiempo determinado, lo que permite que el metal deformado recristalice y formen nuevos gránulos isométricos. De esta manera, los defectos cristalinos desaparecen en gran medida. La resistencia del metal disminuye, mientras que su tenacidad aumenta. Esto permite que las tensiones residuales generadas por la soldadura se reduzcan y se eliminen. Los recipientes a presión suelen tener un tamaño considerable, por lo que no es posible colocarlos en un horno de calentamiento para someterlos a tratamientos térmicos, como sí se puede hacer con otros equipos o piezas mecánicas de menor tamaño. Se puede cubrir la pared exterior del recipiente con un aislante térmico, mientras que en su interior se inyecta combustible para que arda y genere altas temperaturas con el fin de calentarlo; también se puede utilizar el método de calentamiento eléctrico para tratar térmicamente todo el recipiente. El método de tratamiento térmico local funciona según los mismos principios que el tratamiento térmico completo. Actualmente, se suelen utilizar calentadores infrarrojos o calentadores por resistencia para calentar la zona de soldadura. Dado que se trata de un calentamiento local, su efecto en la eliminación de las tensiones residuales no es tan eficaz como en el tratamiento térmico completo. Solo permite reducir el valor máximo de las tensiones internas, haciendo que su distribución sea más uniforme. No logra eliminarlas por completo. Sin embargo, el tratamiento térmico local puede mejorar las propiedades mecánicas de las uniones soldadas. Por lo general, este método se aplica únicamente a uniones soldadas bastante simples. Método de estirado por diferencia de temperatura: Es un método que se utiliza para eliminar las tensiones residuales en la zona de soldadura. Para ello, se aprovecha el efecto térmico derivado de la diferencia de temperatura para crear un campo de tensiones en dirección opuesta, con el fin de eliminar las tensiones residuales. La clave para que este método sea efectivo radica en la elección de la diferencia de temperatura Δt. Δt está relacionada con el límite de resistencia del material σs, su módulo elástico E y su coeficiente de expansión térmica β. Siempre y cuando se elijan adecuadamente la zona de calentamiento y el valor de Δt, de modo que no se produzca deformación plástica que pueda causar una pérdida de la reserva de plasticidad, ni se afecte la estructura microestructural del metal, se puede lograr un buen efecto en la eliminación de tensiones. El grado de eliminación puede alcanzar entre el 50% y el 70%. Este método tiene cierto valor aplicativo en estructuras de placas y conchas cuyas soldaduras son regulares y cuyo espesor no es excesivo. Método de golpeteo: Bajo el efecto de golpes rápidos y uniformes, el metal de la soldadura experimenta una deformación plástica transversal, lo que permite compensar en cierta medida la contracción de la soldadura. De este modo, las tensiones residuales por estiramiento en esa zona se reducen, y así se puede eliminar parcialmente la tensión residual resultante de la soldadura. Método de explosión: Se provoca una explosión en las bandas colocadas sobre la soldadura y en sus alrededores. Gracias a la interacción entre las ondas de choque generadas por la explosión instantánea y las tensiones residuales en esa zona, el metal sufre una deformación plástica adecuada, lo que permite que las tensiones residuales se reduzcan. El método de explosión no solo permite eliminar de manera eficaz las tensiones residuales generadas durante el soldado, sino que también crea una cierta cantidad de tensión compresiva en la zona tratada. Esto permite que las uniones soldadas tengan una mayor resistencia a la destrucción causada por las tensiones tensiles. En cambio, el tratamiento térmico no puede hacer nada al respecto. El método de explosión tiene una ventaja única para eliminar las tensiones residuales en los trabajos de reparación de soldaduras durante las inspecciones en contenedores a presión en servicio.