ES2403123T3

ES2403123T3 - Método de reparación de un artefacto metálico

Info

Publication number: ES2403123T3
Application number: ES09787396T
Authority: ES
Inventors: Corney Van Rooyen; Herman Burger; Philip Doubell
Original assignee: Council for Scientific and Industrial Research CSIR; Eskom Holdings Soc Ltd
Current assignee: Council for Scientific and Industrial Research CSIR; Eskom Holdings Soc Ltd
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2013-05-14
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: EP2373456A1; JP5468619B2; ZA201104272B; JP2012512752A; US20110247188A1; WO2010070548A1; US8322008B2; AU2009329094B2; AU2009329094A1; EP2373456B1

Abstract

Un método de reparación de un artefacto metálico (Un método de reparación de un artefacto metálico (40) con un defecto abierto (42) en o sobre una sup40) con un defecto abierto (42) en o sobre una superficiemetálica o sustrato del artefacto metálico erficiemetálica o sustrato del artefacto metálico (40), que incluye: el forjado en frío del defecto (40), que incluye: el forjado en frío del defecto abierto para cerrar el defecto abierto; y el chapaabierto para cerrar el defecto abierto; y el chapado con láser del defecto forjado en frío con una pdo con láser del defecto forjado en frío con una pluralidad de cordones de chapado con láser (44) apluralidad de cordones de chapado con láser (44) aplicadosa la superficie metálica o sustrato para culicadosa la superficie metálica o sustrato para cubrir el defecto forjado en frío con una capa de mebrir el defecto forjado en frío con una capa de metal chapado. tal chapado.

Description

Método de reparación de un artefacto metálico.

Esta invención se refiere a la reparación de artefactos metálicos. En particular, la invención se refiere a un método de reparación de un artefacto metálico.

El documento US 2004 02 45 323 describe un método de reparación de una grieta superficial en un componente deformando plásticamente la superficie del componente hasta cerca de la abertura en la superficie y cerrando herméticamente la superficie cerrada mediante soldadura por fusión.

Los procedimientos de reparación mediante soldadura con arco eléctrico no pueden aplicarse sobre superficies metálicas húmedas ya que la presencia de humedad sobre una superficie metálica que ha de ser reparada da lugar a una inestabilidad del arco y produce una porosidad en el metal depositado. La soldadura con arco eléctrico no es por tanto adecuada sobre todo para reparaciones “in situ” de paredes de recipientes metálicos con fugas ya que el riesgo de una perforación del recipiente metálico debida a una fusión es inaceptable. La capacidad de cerrar herméticamente las grietas con fugas en artefactos metálicos, por ejemplo las grietas con fugas en recipientes llenos de agua, o las grietas con fugas en recipientes que contienen un gas comprimido, sería sin embargo muy conveniente para no tener que recurrir a vaciar el recipiente o airear el recipiente antes de efectuar reparaciones. Como se apreciará, la necesidad de vaciar o airear un recipiente para repararlo obligaría a un tiempo muerto en el proceso que emplea el recipiente, que puede ser muy costoso, especialmente en grandes instalaciones de procesamiento tales como las petroquímicas o de productos químicos a granel, instalaciones de generación de energía y similares.

De acuerdo con el invento, se ha dispuesto un método de reparación de un artefacto metálico con un defecto abierto en o sobre una superficie metálica o sustrato del artefacto metálico, que incluye el forjado en frío del defecto abierto para cerrar el defecto abierto, y el chapado con láser del defecto forjado en frío con una pluralidad de cordones de chapado con láser aplicados en la superficie metálica o sustrato para cubrir el defecto forjado en frío con una capa de metal chapado.

En esta especificación, el término “defecto abierto” se refiere a cualquier defecto que define una zona expuesta o rebajada con un límite, de modo que el forjado en frío del defecto abierto obliga a las zonas opuestas pero contiguas del límite a cerrar conjuntamente el defecto en la cara exterior. En particular, el término “defecto abierto” incluye grietas tales como las grietas de corrosión por tensiones, grietas muy finas, poros, agujeros pequeños y similares.

Aunque el método de la invención en principio puede aplicarse a reparaciones “in situ” de cualquier artefacto metálico que pueda ser sometido a un chapado con láser, se cree que el método del invento tendrá una especial aplicación en la reparación de recipientes de metal llenos con fluidos no inflamables, por ejemplo recipientes llenos de agua o tanques a presión que contienen un gas, e incluso más especialmente a los recipientes que tienen grietas.

El artefacto metálico puede ser un artefacto de acero o de acero inoxidable o cualquier otro artefacto de metal, por ejemplo un recipiente de acero inoxidable lleno de agua. El artefacto metálico puede ser fijo y puede ser reparado “in situ” sin retirar el artefacto metálico de donde está colocado en uso o sin retirar el artefacto metálico de servicio.

En una realización del método de la invención el artefacto metálico es un recipiente de acero inoxidable 304L lleno de agua o un componente de dicho recipiente con el defecto abierto que es una grieta debida a la corrosión por tensiones en una pared del recipiente o en dicho componente del recipiente.

El artefacto metálico puede contener o llevar un fluido detrás del defecto abierto durante la aplicación del método. El fluido puede estar a una presión mayor de 0,1 bar(g), incluso mayor de 1,5 bar(g), incluso mayor de, por ejemplo, aproximadamente 2 bar(g). Normalmente, la presión no será mayor de 3 bar(g).

El forjado en frío del defecto abierto puede tener la forma de, o puede incluir el martillado del defecto abierto. Típicamente, para el martillado se usa un martillo neumático con una punta de acero redondeada.

Los cordones de chapado con láser son típicamente paralelos y solapados para así formar la capa de metal chapado. Preferiblemente, los cordones de chapado con láser se depositan a velocidades comprendidas entre 0,3 m y 3 m por minuto, con una capa superior de cordones del 50% al 70%, para asegurarse de que se forma una capa continua de metal chapado.

La composición química de la capa de metal chapado puede ser diferente de la composición de la superficie metálica o sustrato del artefacto metálico. Con parámetros del proceso optimizados es posible obtener una dilución mínima de los cordones de chapado por la superficie metálica o sustrato.

Cuando el defecto es alargado, por ejemplo en forma de grieta, los cordones de chapado se pueden aplicar transversalmente, por ejemplo perpendicular, a un eje longitudinal o a la dirección del defecto alargado. Típicamente,

la capa de metal chapado cubre todo el defecto y se extiende más allá de los límites del defecto, de modo que en todos los lados del defecto existe una zona en la que la capa de metal chapado está entre el defecto y el sustrato no chapado.

La capa de metal chapado puede mostrar aún un defecto abierto, por ejemplo un poro con fugas, después del chapado con láser. El método puede entonces incluir un forjado en frío del defecto abierto en la capa de metal chapado que es una primera capa de metal chapado, y aplicar después una posterior capa de metal chapado por medio de un chapado con láser sobre al menos una parte de la primera capa de metal chapado.

El chapado con láser genera una masa fundida. El método puede incluir hacer que la viscosidad de la masa fundida sea suficientemente alta limitando el tamaño de la masa fundida y asegurando una velocidad de solidificación suficientemente alta para contener el fluido a presión.

Cuando un fluido se escapa o se fuga a través del defecto abierto el martillado tiene que cerrar dicho defecto abierto para reducir la fuga de fluido a un nivel en el que se pueda realizar el chapado con láser. Sin embargo, no es necesario detener totalmente la fuga, ya que el chapado con láser puede todavía hacerse cuando algún fluido, por ejemplo agua, está fluyendo sobre el área que ha de ser chapada con láser, o algún fluido, por ejemplo un gas no combustible, está todavía escapándose a través del defecto forjado en frío.

A continuación se describirá la invención a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

la Figura 1 muestra un diagrama esquemático del equipo de chapado con láser; la Figura 2 muestra un diagrama esquemático de un proceso de chapado con láser; la Figura 3 muestra una vista frontal de una brida de un recipiente lleno de agua que está siendo sometido a la reparación “in situ” de una grieta con el método de la invención; y la Figura 4 muestra la brida de metal reparada de la Figura 3.

Con referencia a la Figura 1 de los dibujos, el número de referencia 10 generalmente indica un equipo de chapado con láser apropiado para uso en el método del invento. El equipo 10 incluye una fuente de láser 12 que alimenta una cabeza 15 de procesamiento de láser llevada por un robot 14. Un alimentador de polvo 18 suministra a una boquilla de polvo 20 un polvo metálico consumible para el chapado con láser del sustrato 16.

El chapado con láser puede ser realizado con un diodo de CO2, Nd:YAG o con lásers de fibra Yb:YAG. Con referencia a la Figura 2 de los dibujos, un haz de láser 22 es enfocado hacia un tamaño de blanco de 1 mm a 6 mm sobre una superficie del sustrato 16. Se genera una masa fundida 24 poco profunda sobre la superficie del sustrato

16. El polvo metálico consumible, generalmente indicado por el número de referencia 26, es inyectado en la masa fundida 24 por medio de la boquilla de polvo 24. El polvo metálico consumible 26 se funde y se solidifica como una capa 28 unida metalúrgicamente sobre el sustrato 16. Típicamente, la composición de la capa chapada 28 será diferente de la del sustrato 16 y se producirá una dilución mínima de la capa chapada 28 por el sustrato 16. Los cordones se depositan a unas velocidades comprendidas típicamente entre 0,3 m y 3 m por minuto. Se depositan cordones posteriores con una capa de recubrimiento con cordones del 50% al 70%. De este modo se forma una capa continua. El espesor de la capa chapada 28 se determina por una combinación de densidad de polvo de láser, de velocidad de alimentación de polvo, de velocidad de chapado y de solape de cordones. Estos factores influyen también en el grado en el que la capa chapada 28 es diluida por el material del sustrato y, por lo tanto, por la química final de la capa chapada 28.

La boquilla de polvo 20 puede estar desviada del eje con respecto al haz de láser 22 o coaxial con respecto al haz de láser 22, y se puede usar más de una boquilla de polvo 20, por ejemplo tres o cuatro configuraciones de chorro de polvo.

Se alimenta polvo desde el alimentador de polvo 18 a la boquilla 20 por medio de un gas portador que normalmente es helio o argón con un caudal de 2 l a 15 l por minuto. Se puede soplar adicionalmente argón o argón con un 5% de hidrógeno o helio para impedir la oxidación del cordón de soldadura, normalmente de 5 l a 15 l por minuto.

La capa chapada 28 incluye una zona 30 afectada por el calor y una zona de mezclado 32 en la que se produce la mayor parte de la dilución de la capa chapada 28 por el metal del sustrato 16.

Con referencia a la Figura 3 de los dibujos, una brida metálica de un recipiente de acero inoxidable 304L lleno de agua, el cual está siendo sometido a la reparación “in situ” de una grieta con el método de la invención, está generalmente indicada por el número de referencia 40. El recipiente (no mostrado) al que la brida 40 está unida mediante pernos está llena de agua, con una presión del agua detrás de la brida de aproximadamente 2 bar. El agua escapa lentamente a través de la grieta en la brida 40. La grieta 42 es alargada y se extiende verticalmente y se muestra exagerada para mayor claridad.

Con el fin de reparar la grieta 42, dicha grieta 42 es forjada en frío por medio de martillado, y obliga a los bordes opuestos que se extienden verticalmente de la grieta 42 a acercarse conjuntamente para cerrar la grieta 42 en una superficie exterior de la brida 40. Aunque es preferible, no es esencial que el martillado detenga totalmente la fuga de agua, ya que el chapado con láser puede también hacerse cuando fluye algo de líquido en el área que va a ser chapada con láser.

La grieta 42 es después chapada con sucesivos cordones de chapado 44, con un equipo de chapado con láser tal como el equipo de chapado con láser 10 mostrado en la Figura 1, y un proceso de chapado con láser tal como el proceso de chapado con láser ilustrado en la Figura 2. Los cordones 44 comienzan encima o debajo de la grieta 42 y terminan debajo o encima de la grieta 42, como se muestra en la Figura 4 de los dibujos. Los cordones de chapado 44 son también muy largos con respecto a la anchura de la grieta 42 para que la capa de metal chapado formada por los cordones de chapado 44 cubra toda la grieta 42 asegurando que la grieta 42 esté rodeada en todos los lados por la capa de metal chapado. Por tanto, se debe programar un camino adecuado de la herramienta para que el robot 14 cubra toda la grieta 42. La grieta puede ser horizontal, vertical o tener cualquier otra orientación.

Podría surgir un problema potencial en donde las grietas en el sustrato 16, por ejemplo en la brida 40, se encontraran muy próximas entre sí. En este caso es posible que el cierre hermético de una grieta agravase las fugas en otra grieta contigua en tal medida que no fuera posible cerrar herméticamente la grieta contigua. Sin embargo, sería posible idear una estrategia que comprendiera un chapado por puntos estratégicamente situados que impidiera la apertura de la grieta contigua.

Preferiblemente, la combinación de martillado y de chapado con láser asegurará un cierre hermético de la grieta 42 con una única capa de metal chapado. Si es necesario o conveniente, el aumento del espesor de la capa de metal chapado puede realizarse directamente sobre la capa de metal chapado debido a la baja dilución de un proceso de chapado con láser y al preciso control de los parámetros del proceso.

Con el fin de efectuar un cierre con éxito de la grieta 42 en la brida 40, se ha de optimizar la anchura de la capa de chapado metálica así como la anchura de los cordones de chapado 44. Si la capa de chapado es demasiado ancha, las tensiones térmicas resultantes del metal depositado harán que la grieta 42 se ensanche. También es esencial que la viscosidad de la masa fundida 24 sea suficiente para resistir la presión del agua. Esto se consigue limitando el tamaño de la masa fundida 24 así como asegurando una velocidad de solidificación suficientemente alta.

En caso de que siga habiendo poros con fugas en la capa chapada se ha considerado que estos poros no pueden ser cerrados herméticamente sólo por la aplicación de sucesivas capas de chapado. Sin embargo, este problema está tratado por la aplicación de martillado en los poros seguido de una aplicación de una segunda capa de chapado. Nuevamente, se usa típicamente un martillo neumático con una punta de acero redondeada. De este modo, se forja en frío la capa chapada para cerrar el poro y así reducir el nivel de fuga de agua siempre que se pueda conseguir un cierre hermético con éxito mediante la aplicación de una segunda capa de chapado.

La invención proporciona un proceso o método no eléctrico sin contacto para la reparación de grietas y similares que pueda impedir unos posibles efectos electroquímicos durante la reparación. Ventajosamente, el método de la invención puede ser usado en presencia de agua que fluye sobre la zona agrietada, o en presencia de un escape de gas por la grieta, y también cuando hay viento. Por el contrario, las técnicas de soldadura con arco eléctrico convencionales requieren la protección de la masa fundida contra la contaminación atmosférica. Las situaciones en las que hay viento pueden dar lugar a una protección inadecuada de la masa fundida y provocar la oxidación y la formación de poros en procesos de soldadura con arco eléctrico convencionales.

El superior proceso de control que es posible con el chapado con láser en combinación con el forjado en frío, por ejemplo el martillado, permite la reparación “in situ” de recipientes de acero inoxidable con paredes delgadas llenos de agua. Los procedimientos de soldadura con arco eléctrico no son adecuados para su aplicación en entornos con humedad y también tienen un riesgo inaceptable de fusión por la perforación de las paredes delgadas. Ventajosamente, la reparación realizada “in situ” es posible con el método de la invención, tal como está ilustrado, puesto que en algunos casos elimina la necesidad de parada del equipo y de este modo se puede reducir el tiempo de parada y el coste asociado con la pérdida de producción.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de reparación de un artefacto metálico (40) con un defecto abierto (42) en o sobre una superficie metálica o sustrato del artefacto metálico (40), que incluye:

5 el forjado en frío del defecto abierto para cerrar el defecto abierto; y el chapado con láser del defecto forjado en frío con una pluralidad de cordones de chapado con láser (44) aplicados a la superficie metálica o sustrato para cubrir el defecto forjado en frío con una capa de metal chapado.
2. El método reivindicado en la reivindicación 1, en el que el artefacto metálico (40) es un artefacto de acero o de 10 acero inoxidable, y en el que el artefacto metálico (40) está fijo y se repara “in situ” sin mover el artefacto metálico

(40) de donde está situado en uso o sin retirar de servicio el artefacto metálico.
3. El método reivindicado en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el artefacto metálico (40) es un

recipiente de acero inoxidable 304L lleno de agua o un componente de tal recipiente, en donde el defecto abierto es 15 una grieta (42) debida a corrosión por tensiones en una pared del recipiente o en dicho componente del recipiente.
4.

El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el artefacto metálico (40) contiene agua o lleva un fluido detrás un fluido detrás del defecto abierto durante el funcionamiento del método, con el fluido a una presión mayor de 0,1 bar(g).
5.

El método reivindicado en la reivindicación 4, en el que el fluido está a una presión comprendida entre 1 bar(g) y 3 bar(g).
6. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el forjado en frío del defecto abierto 25 tiene la forma, o incluye un martillado del defecto abierto.
7. El método reivindicado en la reivindicación 6, en el que para el martillado se usa un martillo neumático con una punta de acero redondeada.

30 8. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que los cordones de chapado con láser

(44) son paralelos y se solapan para así formar la capa de metal chapado.
9. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la composición química del metal chapado es diferente de la composición de la superficie metálica o sustrato del artefacto metálico (40).
10.

El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el defecto es alargado, y en el que los cordones de chapado (44) se aplican transversalmente a un eje o dirección longitudinal del defecto alargado.
11.

El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la capa de metal chapado cubre

40 totalmente el defecto y se extiende más allá de los límites del defecto, de modo que en todos los lados del defecto hay una zona en la que la capa de metal chapado se encuentra entre el defecto y el sustrato no chapado.
12. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la capa de metal chapado muestra aún un defecto abierto después del chapado con láser, el método incluye el forjado en frío del defecto abierto en la

45 capa de metal chapado que es una primera capa de metal chapado, y la aplicación de una posterior capa de metal chapado por medio de un chapado con láser sobre al menos parte de la primera capa de metal chapado.
13. El método reivindicado en la reivindicación 4 o la reivindicación 5, en el que el chapado con láser genera una

masa fundida, y en el que la viscosidad de la masa fundida se hace suficientemente alta limitando el tamaño de la 50 masa fundida y asegurando una velocidad de solidificación suficientemente alta para contener el fluido a presión.
14. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que los cordones de chapado con láser

(44) se depositan a unas velocidades comprendidas entre 0,3 m y 3 m por minuto, con una capa de recubrimiento con cordones del 50% al 70%, para asegurarse de que se forma una capa continua de metal chapado.