ES2689869T3

ES2689869T3 - Procedimiento para la fabricación de una sección central de carcasa de una válvula de cierre de alta presión

Info

Publication number: ES2689869T3
Application number: ES15730975.8T
Authority: ES
Inventors: Klaus Westerwell; Elmar FLOER
Original assignee: Stahl Armaturen Persta Ges mbH; Stahl-Armaturen Persta GmbH
Current assignee: Stahl Armaturen Persta Ges mbH; Stahl-Armaturen Persta GmbH
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2018-11-16
Anticipated expiration: 2035-05-29
Also published as: PL3017222T3; EP3017222A1; HUE039932T2; EP3017222B1; RS57768B1; US20170335990A1; EA201790676A1; US10364908B2; PT3017222T; DE102014013998A1; CN107107249B; WO2016045804A1; CN107107249A; SI3017222T1; DK3017222T3; EA032276B1

Abstract

Procedimiento para fabricar una sección central de carcasa de una válvula de cierre de alta presión de acero de alta resistencia térmica, en el que dos semicascos de sección central de carcasa forjados en estampa (1a, 1b) con tubuladuras forjadas (4a, 4b) se sueldan entre sí mediante un procedimiento de soldadura de haz electrónico sin material de aportación de soldadura a través de una costura de soldadura a tope (2), que se extiende en un plano (3) que a su vez se extiende de manera transversal a las tubuladuras (4a, 4b) y que divide la sección central de carcasa (1), caracterizado porque los espesores de pared de los semicascos de la sección central de carcasa (1a, 1b) se diseñan en general tomando como base un factor de costura de soldadura WSF >= 1, y porque después de producir la costura de soldadura (2), la sección central de carcasa (1) entera se somete a un tratamiento térmico profundo con calentamiento por encima de la temperatura de transformación, temple y revenido.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

DESCRIPCION

Procedimiento para la fabricación de una sección central de carcasa de una válvula de cierre de alta presión

La presente invención se refiere a un procedimiento para fabricar una sección central de carcasa de una válvula de compuerta de alta presión de acero de alta resistencia al calor, en el que dos semicascos de sección central de carcasa forjados en estampa con tubuladuras forjadas se unen entre sí mediante un procedimiento de soldadura de haz electrónico sin material de aportación de soldadura con una costura de soldadura a tope, que se extiende en un plano que a su vez se extiende de manera transversal a las tubuladuras y divide la sección central de la carcasa.

Un procedimiento de este tipo se conoce, por ejemplo, por los documentos DE 100 10 367 B4 o US 3 913 887 A. Sin embargo, debido a un aumento de los requerimientos, este procedimiento actualmente enfrenta problemas que se deben a lo siguiente:

Últimamente se han venido empleando en creciente medida las así llamadas energías renovables generadas en centrales eólicas y solares para el abastecimiento con energía eléctrica. Debido a que estas fuentes de energía no están disponibles de manera continua, para los inevitables vacíos de abastecimiento se requieren centrales termoeléctricas, cuya potencia, dado el caso, se puede incrementar y reducir rápidamente varias veces al día en función de la demanda. Esto tiene como resultado que todos los accesorios de valvulería de estas centrales termoeléctricas no solo deben ser capaces de resistir las altas temperaturas de más de 600 °C y las presiones de más de 200 bar que se requieren para alcanzar un buen rendimiento, sino que además se exponen a temperaturas variables con empinados gradientes de temperatura. Por esta razón, para los accesorios de valvulería de tales centrales termoeléctricas se usan exclusivamente aceros de alta resistencia térmica, en particular aceros al cromo martensíticos al 9-12%, por ejemplo, X10CrMoVNb9-1 (número de material 1.4903, denominación abreviada P91) o X10CrWMoVNb9-2 (número de material 1.4901, denominación abreviada P92). Dado el caso, también se pueden usar otros aceros de alta resistencia térmica.

Los nuevos colectivos de carga arriba mencionados son problemáticos en particular para todas las costuras de soldadura en los componentes estructurales de acero de alta resistencia térmica. Específicamente, debido a su complejidad estructural, en estos aceros se produce un descenso sustancial de la resistencia a la fluencia en función del tiempo en las zonas de influencia térmica (WEZ) de las costuras de soldadura, que tampoco se puede corregir a través de un tratamiento térmico local de las costuras de soldadura. Por esta razón, las normas de inspección y vigilancia relevantes para carcasas soldadas, sometidas a cargas de presión, hechas de tales aceros de alta resistencia térmica, exigen que se tenga en cuenta un factor de costura de soldadura WSF (weld strength factor) suficiente, así como una homologación especial para el material de aportación de soldadura eventualmente usado para rellenar la costura de soldadura.

El factor de costura de soldadura WSF se reduce rápidamente de manera sustancial a medida que aumenta la temperatura de ensayo. Así, por ejemplo, para una cero de CrMoV al 12% a una temperatura de ensayo de 500 °C se requiere un factor de costura de soldadura WSF = 0,8 y a una temperatura de ensayo de 600 °C se requiere un factor de costura de soldadura WSF = 0,5. Esto significa que con temperaturas de ensayo de más de 600 °C es necesario duplicar el espesor de pared, por lo menos en la zona de las costuras de soldadura. Obviamente, esto resulta en un fuerte aumento del peso.

Sin embargo, el engrosamiento de las paredes requerido a causa del factor de costura de soldadura WSF perjudica la resistencia a la fluencia de la carcasa, si la misma se somete con frecuencia a grandes variaciones de temperatura con gradientes de temperatura escarpados. En paredes gruesas, las diferencias de temperatura que se producen de adentro hacia afuera o de afuera hacia adentro, respectivamente, resultan en fuertes tensiones de varios ejes en el interior del material, que ejercen una influencia negativa sobre la resistencia a la fluencia en función del tiempo. Es decir que los engrosamientos de pared necesarios debido al factor de costura de soldadura desfavorable hacen que el cuerpo de la carcasa sea sensible a las rápidas variaciones de temperatura.

En el uso de los procedimientos de soldadura de haz electrónico no son necesarios los materiales de aportación de soldadura, de tal manera que es innecesaria la difícil selección de un material de aportación de soldadura apropiado. Pero también en la soldadura de haz electrónico se forman a lo largo de la costura de soldadura zonas de influencia térmica (WEZ) estrechamente delimitadas, en las que se presentan tensiones interiores y cambios estructurales que perjudican la resistencia a la fluencia en función del tiempo. Para anular estas tensiones interiores de la mejor manera posible, por ejemplo, por el documento DE 10 2013 009 209 se conoce calentar la pieza de trabajo por lo menos en la zona de la costura de soldadura hasta la temperatura de revenido. Los estudios más recientes realizados con difractometría de neutrones en costuras de soldadura producidas mediante un procedimiento de soldadura de haz electrónico, han demostrado que en la zona próxima a estas costuras de soldadura siguen existiendo las tensiones que perjudican la resistencia a la fluencia en función del tiempo, incluso si se intenta relajar la atención posteriormente en estas costuras de soldadura a través de los tratamientos térmicos locales que se suelen emplear en el estado de la técnica (véase Charakterisation of Residual Stress in Electron Beam welded P91 Plates by Neutron Diffraction", publicado en el International Journal of Metalurgical Engineering 2013, 2 (1): 79-84).

Por esta razón, las normas relevantes de inspección y vigilancia para carcasas soldadas que se someten a cargas de presión exigen que se cumplan los factores de costura de soldadura discutidos más arriba, incluso si las costuras

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

de soldadura se han producido mediante el procedimiento de soldadura de haz electrónico sin usar materiales de aportación de soldadura. Esto tiene como resultado que ahora, debido a los nuevos colectivos de carga discutidos más arriba, se ha llegado al límite de lo que es técnicamente posible.

Este dilema hace que sea prácticamente imposible que con los medios disponibles conforme al estado de la técnica se pueda fabricar una pieza central de carcasa para una válvula de cierre de alta presión del tipo mencionado, que sea capaz de resistir suficientemente los nuevos colectivos de carga discutidos más arriba. Diferentes intentos de fabricar la sección central de carcasa de una sola pieza, específicamente fresando la misma a partir de un bloque grande o mediante la forja del cuerpo hueco entero, han demostrado que prácticamente no son costeables y además son técnicamente inútiles, debido a que es difícil que con una realización de paredes suficientemente delgadas se puedan disponer las superficies de asiento requeridas en el espacio interior de la sección central de carcasa (superficies de asiento) para las placas de válvula. Porque las ranuras o costuras de soldadura requeridas para ello en el interior de la sección central de carcasa también perjudican sustancialmente la resistencia a la fluencia en función del tiempo.

Por lo tanto, el objetivo de la presente invención consiste en perfeccionar el procedimiento del tipo mencionado al comienzo, en el sentido de que con medios simples se permita la fabricación de una sección central de carcasa sustancialmente más liviana, que incluso con cambios de temperatura frecuentes con gradientes de temperatura escarpados presente una suficiente resistencia a la fluencia en función del tiempo.

Para alcanzar este objetivo, la presente invención propone que a partir del procedimiento del tipo inicialmente mencionado el espesor de pared de los semicascos de carcasa se diseñe de manera general en base a un factor de costura de soldadura WSF = 1 y que después de la fabricación de la costura de soldadura se sometan la sección central de carcasa entera a un tratamiento térmico integral, con un calentamiento hasta por encima de la temperatura de transformación, templado y revenido.

La presente invención aprovecha en primer lugar la circunstancia de que en la soldadura de haz electrónico se puede trabajar sin ningún material de aportación de soldadura, incluso con una gran profundidad de la costura de soldadura, porque el material de base disponible en los flancos de la costura de soldadura de una soldadura a tope se fusiona directamente entre sí. Debido a que en este procedimiento de soldadura el calor de soldadura se concentra en un espacio muy reducido, junto a las costuras de soldadura solo se forman zonas de influencia térmica (WEZ) muy estrechas. A través del tratamiento térmico profundo que está previsto al final de acuerdo con la presente invención, con un calentamiento hasta por encima de la temperatura de transformación, templado y revenido, lo que significa una nueva bonificación completa de la sección central de carcasa acabada de soldar, se logra que en el material de base, más allá de la costura de soldadura, se forme una nueva estructura de bonificación no perturbada, de tal manera que la costura de soldadura desaparece completamente y ya no se puede detectar como tal a través de los exámenes estructurales usuales. Por esta razón, por primera vez es posible y admisible diseñar los espesores de pared de esta sección central de carcasa en su totalidad en base a un factor de costura de soldadura WSF = 1. Esto significa que esta sección central de carcasa ya no requiere engrosamientos de pared condicionados por la costura de soldadura, y de manera correspondiente puede realizarse de forma sustancialmente más fácil que las secciones centrales de carcasa convencionales soldadas con haz electrónico, y además, debido a sus paredes más delgadas en general puede resistir de mejor manera los nuevos colectivos de carga mencionados más arriba. Comparado con los procedimientos conocidos para la fabricación de secciones centrales de carcasa sin costura forjadas como cuerpo hueco o fresadas a partir de un bloque, el procedimiento de acuerdo con la presente invención es sustancialmente más económico desde el punto de vista del dispendio de fabricación y además de un ahorro de peso sustancial permite una configuración adaptada de mejor manera a los requerimientos de los lados interiores de la carcasa con superficies de asiento forjadas y dispositivos de guía para las placas de válvula.

De manera correspondiente, el procedimiento de acuerdo con la presente invención prevé que en la forja en estampa los semicascos de la sección central de carcasa se forjen en una sola pieza, incluyendo las superficies de asiento y las tubuladuras. Esto presenta la ventaja particular de que posteriormente no es necesario proveer escotaduras para los anillos de asiento, que frecuentemente son el punto de partida para la formación de grietas.

Adicionalmente, también está previsto que durante la forja en estampa en los semicascos de la sección central de carcasa se forjen en una sola pieza semicascos de cuello de carcasa y que durante la soldadura de haz electrónico los semicascos de sección central de carcasa provistos con los semicascos de cuello de carcasa forjados en ellos se unan por soldadura para formar una carcasa con cuello, en lo que las costuras de soldadura a tope entre los dos semicascos de sección central de carcasa y los dos semicascos de cuello de carcasa se extienden en el mismo plano. De esta manera ya no es necesario tener que soldar posteriormente un cuello de carcasa, lo que hasta ahora en las secciones centrales de carcasa fabricadas en una sola pieza era inevitable y necesario. Debido a que las costuras de soldadura a tope de los semicascos de sección central de carcasa y de los semicascos de cuello de carcasa se encuentran en el mismo plano, las costuras de soldadura pueden realizarse en una sola operación y con una sola sujeción de la pieza en el dispositivo de soldadura.

En los lados interiores de las mitades de cuello de carcasa, en el procedimiento de acuerdo con la presente invención también se pueden formar directamente las ranuras para recibir un anillo de apoyo para una tapa de cierre de carcasa autosellante.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Lo mismo rige también para los elementos de guía requeridos en el interior en los semicascos de la sección central de carcasa y/o en los semicascos del cuello de carcasa para guiar las placas de válvula de la válvula de cierre de alta presión.

Ejemplos de realización de la presente invención se describen más detalladamente a continuación con referencia a

los dibujos. En los dibujos:

La Fig. 1 muestra una vista de corte longitudinal de una sección central de carcasa de acuerdo con la presente invención;

La Fig. 2 muestra una vista de sección longitudinal a través del semicasco de sección central de carcasa izquierdo de la figura 1;

La Fig. 3 muestra una vista correspondiente a la figura 2, observada en la dirección de flujo;

La Fig. 4 muestra una vista en perspectiva del semicasco de sección central de carcasa de acuerdo con las

figuras 2 y 3;

La Fig. 5 muestra una vista superior correspondiente a la figura 2 vista desde arriba;

La Fig. 6 muestra una vista de sección longitudinal de una carcasa con cuello de carcasa, fabricada mediante el

procedimiento de acuerdo con la presente invención;

La Fig. 7 muestra una vista de sección longitudinal a través del semicasco de cuello de carcasa de acuerdo con la figura 6;

La Fig. 8 muestra una vista correspondiente a la figura 7, observada en la dirección de flujo;

La Fig. 9 muestra una vista superior correspondiente a la figura 7 vista desde arriba;

La Fig. 10 muestra una vista en perspectiva del semicasco de cuello de carcasa de acuerdo con la figura 7;

La Fig. 11 muestra una vista de sección longitudinal de una carcasa con cuello en una forma de realización modificada, fabricada mediante el procedimiento de acuerdo con la presente invención;

La Fig. 12 muestra una vista correspondiente a la figura 11, observada en la dirección de flujo.

En los dibujos, la sección central de carcasa fabricada en acero de alta resistencia térmica de una válvula de cierre de alta presión se designa en su totalidad con el carácter de referencia 1. La misma está formada por dos semicascos de sección central de carcasa 1a y 1b, que a lo largo de una costura de soldadura a tope 2 con flancos de costura de soldadura 2a y 2b se encuentran unidos entre sí por soldadura de haz electrónico sin material de aportación de soldadura. La costura de soldadura a tope 2 se extiende en un plano 3 que a su vez se extiende en una dirección transversal a la dirección de flujo de la válvula de cierre de alta presión, y que divide la sección central de carcasa 1 aproximadamente por la mitad.

Los semicascos de la sección central de carcasa 1a y 1b se forjan en estampa mediante el procedimiento de acuerdo con la presente invención. Los mismos resultan particularmente bien apropiados para este tipo de forja en estampa, puesto que son accesibles de manera superficialmente extensa desde lados opuestos.

Las paredes de los semicascos de la sección central de carcasa 1a y 1b se realizan de forma tan delgada como sea posible, teniendo en cuenta las cargas estáticas, térmicas y termodinámicas, y en particular en la zona de los flancos de costura de soldadura 2a y 2b no presentan engrosamientos de material. Por lo tanto, los espesores de pared se diseñan en general tomando como base un factor de costura de soldadura WSF = 1.

Como se muestra adicionalmente en los dibujos, los dos semicascos de la sección central de carcasa 1a y 1b están provistos con tubuladuras forjadas 4a y 4b y en sus lados interiores están provistos con superficies de asiento 5 forjadas en una sola pieza que rodean las tubuladuras 4a y 4b.

Como se puede ver adicionalmente en las figuras 6 a 10 y las figuras 11 y 12, los semicascos de la sección central de carcasa 1a y 1b también se pueden proveer con semicascos de cuello de carcasa 6a y 6b forjadas conjuntamente en el procedimiento de forja en estampa, y que de manera similar a los semicascos de la sección central de carcasa 1a y 1b se unen mediante soldadura de haz electrónico sin material de aportación de soldadura para formar un cuello de carcasa 6 que prolonga la sección central de carcasa 1 hacia arriba. A este respecto, las costuras de soldadura a tope que unen los semicascos de cuello de carcasa 6a y 6b se extienden en el mismo plano que la costura de soldadura 2 que une los semicascos de la sección central de carcasa 1a y 1b.

Como se puede ver además en la figura 11, en los lados interiores de estos semicascos de cuello de carcasa 6a y 6b se pueden forjar ranuras 7, que sirven para apoyar una tapa de cierre, no representada, que obtura el cuello de carcasa 6 hacia arriba. Asimismo, los semicascos de la sección central de carcasa 1a y 1b y/o los semicascos de

cuello de carcasa 6a y 6b se pueden proveer con elementos de guía forjados, no representados, para las placas de válvula de la válvula de cierre de alta presión.

Para la preparación del proceso de soldadura por soldadura de haz electrónico, primero se rectifican las superficies que se van a soldar entre sí hasta quedar lisas. En el proceso de soldadura siguiente, los flancos adyacentes 5 mutuamente a tope se fusionan directamente entre sí sin usar material de aportación de soldadura. El calor requerido para esto se introduce mediante un haz electrónico en la hendidura entre los flancos rectificados y lisos.

La carcasa acabada de soldar se somete después en su totalidad a un tratamiento térmico profundo con calentamiento por encima de la temperatura de transformación, temple y revenido. En esta nueva bonificación completa de la carcasa soldada, que se efectúa conforme a las reglas de bonificación usuales para el respectivo 10 acero de alta resistencia térmica, se forma también más allá de las costuras de soldadura una estructura de bonificación no perturbada. La carcasa producida así presenta como resultado las mismas propiedades que una carcasa sin costuras, fabricada del mismo material.

Claims

5

10

15

20

25

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para fabricar una sección central de carcasa de una válvula de cierre de alta presión de acero de alta resistencia térmica, en el que dos semicascos de sección central de carcasa forjados en estampa (1a, 1b) con tubuladuras forjadas (4a, 4b) se sueldan entre sí mediante un procedimiento de soldadura de haz electrónico sin material de aportación de soldadura a través de una costura de soldadura a tope (2), que se extiende en un plano (3) que a su vez se extiende de manera transversal a las tubuladuras (4a, 4b) y que divide la sección central de carcasa (1), caracterizado porque los espesores de pared de los semicascos de la sección central de carcasa (1a, 1b) se diseñan en general tomando como base un factor de costura de soldadura WSF = 1, y porque después de producir la costura de soldadura (2), la sección central de carcasa (1) entera se somete a un tratamiento térmico profundo con calentamiento por encima de la temperatura de transformación, temple y revenido.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque durante la forja en estampa, los semicascos de sección central de carcasa (1a, 1b) se forjan en una sola pieza incluyendo las superficies de asiento (5a, 5b) y las tubuladuras (4a, 4b).
3. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque durante la forja en estampa, en los semicascos de sección central de carcasa (1a, 1b) se forjan en una sola pieza semicascos de cuello de carcasa (6a, 6b), y porque en la soldadura de haz electrónico los semicascos de sección central de carcasa (1a, 1b) se sueldan junto con los semicascos de cuello de carcasa forjados conjuntamente (6a, 6b) para formar una carcasa con cuello, en la que las costuras de soldadura de haz electrónico entre los dos semicascos de sección central de carcasa (1a, 1b) y los dos semicascos de cuello de carcasa (6a, 6b) se extienden en el mismo plano.
4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque durante la forja en estampa, en los lados interiores de los semicascos de cuello de carcasa (6a, 6b) se forman ranuras (7) para recibir un anillo de apoyo de una tapa de cierre de carcasa autosellante.
5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque durante la forja en estampa, en los lados interiores del semicasco de sección central de carcasa (1a, 1b) y/o de los semicascos de cuello de carcasa (6a, 6b) se forjan elementos de guía para las placas de válvula de la válvula de cierre de alta presión.