MXPA99012031A - Metodo para remover productos de corrosion caliente de un recubrimiento de aluminiuro - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un método para remover los productos de la corrosión caliente de la superficie de un componente expuesto a condiciones corrosivas a temperaturas elevadas, como es el caso con los componentes de turbina, quemadoróaumentador de los motores de turbina de gas. El método es particularmente adecuado para remover los productos de corrosión caliente de los componentes protegidos con un recubrimiento de aluminiuro de difusión, ya sea como un recubrimiento medio-ambiental,ócomo una capa de enlace para un recubrimiento de barrera térmica (TBC). Los pasos de procesamiento del método incluyen sumergir el componente en una solución liquida calentada que contengaácido acético, y luego agitar]as superficies del componente mientras que el componente permanece sumergido en la solución. De estámanera, se remueven los productos de corrosión caliente que se encuentran sobre las superficies del componente, sin dañar ni remover el recubrimiento de aluminiuro de difusión. Como un resultado, entonces se pueden reparar las regiones del componente de donde se removieron los productos de corrosión caliente, mediante un proceso aluminizador adecuado.

Description

APARATO DE CALENTAMIENTO PARA UNA OPERACIÓN DE SOLDADURA Y MÉTODO CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a métodos para reparar componentes de motores de turbina de gas protegidos por recubrimientos de aluminiuro de difusión. De una manera más particular, esta invención se refiere a un proceso mediante el cual se remueven los productos de corrosión caliente de un recubrimiento de aluminiuro de difusión sin dañar el recubrimiento y, por consiguiente, hace posible que el recubrimiento se rejuvenezca en lugar de removerse ó reemplazarse completamente.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El medio ambiente operativo dentro de un motor de turbina de gas es tanto térmicamente como químicamente hostil. Se han logrado avances significativos en las aleaciones de alta temperatura a través de la formulación de superaleaciones a base de hierro, níquel y cobalto, aunque los componentes formados de estas aleaciones con frecuencia no pueden soportar las largas exposiciones en servicio si se localizan en ciertas secciones de un motor de turbina de gas, tal como la turbina, el quemador y el aumentador. Una solución común es proteger las superficies de estos componentes con un recubrimiento medioambiental, es decir, un recubrimiento que sea resistente a la ^ÍSib ^___________ oxidación y a la corrosión caliente. Los recubrimientos que han encontrado un amplio uso para este propósito incluyen los recubrimientos de aluminiuro de difusión, y los recubrimientos sobrepuestos, tales como McrAlY (en donde M es hierro, níquel y/ó cobalto) , que se pueden recubrir con un recubrimiento de aluminiuro difundido. Durante la exposición a alta temperatura en aire, estos recubrimientos forman una incrustación protectora de óxido de aluminio (alúmina) que inhibe la oxidación del recubrimiento y del sustrato subyacente. Los recubrimientos de aluminiuro de difusión son particularmente útiles para proporcionar protección medio-ambiental a los componentes equipados con pasajes de enfriamiento internos, tales como las aspas de la turbina de alta presión, debido a que los aluminiuros pueden proporcionar protección medio-ambiental sin reducir de una manera significativa las secciones transversales de los pasajes de enfriamiento. Como se conoce en la materia, los recubrimientos de aluminiuro de difusión son el resultado de una reacción con una composición que contiene aluminio en la superficie del componente. La reacción forma dos zonas distintas, una más externa que se denomina una capa aditiva que contiene la fase intermetálica resistente al medio-ambiente MA1, en donde M es hierro, níquel ó cobalto, dependiendo del material de sustrato. Debajo de la capa aditiva hay una zona de difusión que contiene diferentes fases intermetálicas y metaestables, que se forman durante la reacción de recubrimiento como un resultado de los gradientes de difusión y de los cambios en la solubilidad elemental en la región local del sustrato. La corrosión caliente de los componentes del motor de turbina de gas generalmente se presenta cuando reaccionan el azufre y el sodio durante la combustión para formar sulfato de sodio (Na2S04) , el cual se condensa sobre, y subsecuentemente ataca, las superficies de los componentes. Las fuentes de azufre y sodio para las reacciones de corrosión caliente incluyen impurezas en el combustible que se está quemando, así como la admisión de polvo cargado con sodio, y/ó la ingestión de sal de mar. En la última situación, la corrosión caliente se presenta tpípicamente sobre las aspas y aletas de la turbina de la sección caliente bajo condiciones en donde la sal se deposita sobre la superficie del componente como un sólido ó líquido. Los depósitos de sal pueden romper la incrustación de alúmina protectora sobre el recubrimiento de aluminiuro, dando como resultado un ataque rápido del recubrimiento. La corrosión caliente produce una incrustación externa flojamente adherente con diferentes óxidos y sulfuros internos que penetran debajo de la incrustación externa. Estos productos son en general compuestos de azufre y sodio, con elementos presentes en la aleación, y posiblemente otros elementos del Atedio ambiente, tales como calcio, magnesio, cloro, etc. Como tales, los productos de la corrosión caliente se pueden distinguir de los • M¡dbJ^É.^Íál^ óxidos que se forman normalmente, ó que se depositan sobre los componentes de motores de turbina de gas como un resultado del medio ambiente oxidante al que están expuestos. Tradicionalmente, se han removido completamente los recubrimientos de aluminiuro para permitir la reparación del componente mediante soldadura ó latoneadura, ó para reemplazar el recubrimiento dañado, después de lo cual, se aplica un nuevo recubrimiento de aluminiuro mediante cualquier proceso aluminizador adecuado. Cualesquiera productos de corrosión caliente presentes en el recubrimiento se remueven con el recubrimiento. Un inconveniente de remover completamente un recubrimiento de aluminiuro de un componente del motor de turbina de gas, es que se remueve una porción del metal de sustrato con el recubrimiento, lo cual disminuye de una manera significativa la vida útil del componente. Como resultado, se han propuesto nuevas tecnologías de reparación mediante las cuales no se remueven los recubrimientos de aluminiuro de difusión, sino que en su lugar, se rejuvenecen para restaurar el recubrimiento de aluminio y la protección al medio ambiente proporcionada por estos recubrimientos. Sin embargo, las tecnologías de rejuvencimiento del recubrimiento para la reparación de aspas y aletas de turbina, no se puede realizar en la presencia de productos de corrosión caliente, debido a que cualesquiera productos de corrosión caliente restantes darían como resultado un ataque del recubrimiento rejuvenecido al exponerse a las temperaturas del motor. Debido a que se ha requerido remover los productos de corrosión caliente mediante chorro de arena abrasiva, las tecnologías de rejuvenecimiento han estado limitadas a los componentes que no han sido atacados por la corrosión caliente. A partir de lo anterior, se puede apreciar que, con el objeto de implementar con éxito un programa de rejuvenecimiento para los componentes del motor de tubina que tengan recubrimientos de aluminiuro de difusión, que se exponen a sal de mar y a otras fuentes de azufre y sodio, se deben remover los productos de corrosión caliente sin dañar los recubrimientos de aluminiuro. Se han utilizado con éxito tratamientos con soluciones cáusticas en autoclaves para remover los óxidos de aluminio y níquel de los componentes, pero estos tratamientos no han tenido éxito para remover los productos de la corrosión caliente, por la razón aparente de que los productos de corrosión caliente más complejos no son solubles en las soluciones cáusticas. De conformidad con lo anterior, la técnica previa carece de un proceso mediante el cual se puedan remover completamente los productos de la corrosión caliente sin dañar ó remover un recubrimiento de aluminiuro de difusión.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona un método para remover los productos de corrosión caliente de la superficie de un componente expuesto a las soluciones de sal y a otras fuentes de sodio y azufre a temperaturas extremadamente altas, como es el caso con los componentes de la turbina, del quemador ó del aumentador de los motores de turbina de gas. El método es particularmente adecuado para remover los productos de la corrosión caliente de los componentes protegidos con un recubrimiento de aluminiuro de difusión, ya sea como un recubrimiento medio-ambiental, ó como una capa de enlace para un recubrimiento de barrera térmica (TBC) . Los pasos de procesamiento de esta invención generalmente incluyen acondicionar ó activar la superficie que se va a limpiar, mediante un procesamiento a través de operaciones de autoclave cáustica y/ó chorro de arena, sumergir el componente en una solución líquida calentada que contenga ácido acético, y luego agitar las superficies del componente mientras que el componente permanece sumergido en la solución. De esta manera, se ha determinado que los productos de la corrosión caliente sobre las superficies del componente, se remueven sin dañar ó remover el recubrimiento de aluminiuro de difusión. Como un resultado, entonces se pueden reparar las regiones del componente de donde se removieron los productos de la corrosión caliente, mediante un proceso de rejuvenecimiento adecuado. Si se desea, el componente se puede tratar previamente mediante paso por autoclave con una solución cáustica para remover los óxidos de la superficie del componente. Este tratamiento de paso por autoclave puede ser seguido por separación con chorro de agua para remover un TBC (en su caso) adherido al componente con el recubrimiento de aluminiuro. De conformidad con esta invención, inesperadamente se han encontrado soluciones de ácido acético débiles, tales como vinagre blanco, para remover los productos de la corrosión caliente, si se utilizan a ciertas temperaturas, y se complementan con suficiente agitación enseguida de un acondicionamiento superficial ó un paso de activación. De una manera conveniente, se ha encontrado que estas soluciones de ácido acético débiles no atacan los recubrimientos de aluminiuro, permitiendo el rejuvenecimiento de un recubrimiento de aluminiuro, en lugar de la remoción completa del recubrimiento, y luego la aplicación de un nuevo recubrimiento. Otra ventaja de esta invención es que el ácido acético no contamina las instalaciones de tratamiento de aguas residuales, y se puede desechar sin preocupación de exceder los niveles permisibles de concentraciones de ion de metal en las aguas residuales. De acuerdo con lo anterior, el tratamiento de esta invención es adecuado para el medio ambiente. Otros objetos y ventajas de esta invención se apreciarán mejor a partir de la siguiente descripción detallada.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona un método no complicado y seguro para el medio ambiente, para remover los productos de la corrosión caliente contenidos adentro de los recubrimientos de aluminiuro sobre las superficies de los componentes de los motores de turbina de gas sometidos a altas temperaturas, a fuentes de sodio y azufre, incluyendo combustibles, polvo y agua de mar. Los ejemplos notables de estos componentes incluyen las boquillas y aspas de la turbina de alta y baja presión, las cubiertas, los revestimientos del quemador, y el hardware aumentador de los motores de turbina de gas. Son de un interés particular para la invención los componentes del motor de turbina de gas protegidos con un recubrimiento de aluminiuro de difusión ó un recubrimiento de McrAlY sobre-recubierto con un recubrimiento de aluminiuro difundido, que puede ó no estar acompañado por una capa superior de cerámica como un recubrimiento de barrera térmica. Aunque las ventajas de esta invención se describirán con referencia a los componentes de motores de turbina de gas, la invención es generalmente aplicable a cualquier componente que tenga una superficie aluminizada que se beneficie de rejuvenecerse sin remover el recubrimiento de aluminiuro existente. El método de esta invención implica el tratamiento de • una superficie aluminizada atacada por la corrosión caliente, uüíik^?^l^^^?iiUb con una solución de ácido acético débil, un ejemplo de la cual es vinagre blanco, que típicamente contiene de aproximadamente el 4 al 8 por ciento en peso de ácido acético. Aunque la Solicitud de Patente de los Estados Unidos de Norteamérica pendiente y comúnmente cedida, con Número de Serie 09/009,236 a Bowden, da a conocer que se ha encontrado que el vinagre remueve la suciedad y los compuestos basados en sílice y calcio de los componentes de los motores de turbina de gas, la capacidad del vinagre y otras soluciones de ácido acético débiles para remover los productos complejos de la corrosión caliente químicamente enlazados a un recubrimiento de aluminiuro, era desconocida e inesperada. De conformidad con esta invención, sorprendentemente se ha determinado que una solución de ácido acético débil, en combinación con un tratamiento previo superficial adecuado, remueve completamente los productos de corrosión calientes sin dañar ó remover las porciones del recubrimiento que no hayan sido atacadas por la corrosión caliente. Aunque en general se prefiere el vinagre como la solución de tratamiento de esta invención, debido a su disponibilidad y costo, es previsible que se puedan utilizar soluciones de ácido acético más fuertes y más débiles derivadas mediante otros métodos. El proceso de esta invención de preferencia implica procesar un componente a través de un tratamiento previo superficial adecuado, sumergir el componente en una solución de ácido acético de aproximadamente 150 °F a 175 °F (de aproximadamente 66 °C a aproximadamente 79 °C) , aunque se cree que son adecuadas las temperaturas entre 120°F y 200°F (de aproximadamente 49 °C a aproximadamente 93 °C) . Aunque son posibles diferentes concentraciones de solución, las concentraciones preferidas de ácido acético para la solución son de aproximadamente el 4 por ciento a aproximadamente el 5 por ciento. La inmersión completa del componente asegura que todas las superficies, incluyendo cualesquiera superficies internas, tales como aquéllas formadas por los pasajes de enfriamiento, hagan contacto con la solución. Las superficies del componente se agitan entonces, tal como mediante energía ultrasónica, para desalojar los productos de corrosión caliente de las superficies del componente. Los parámetros adecuados para una operación de limpieza ultrasónica pueden ser fácilmente aseverables por los expertos en lá técnica, siendo posibles duraciones más cortas cuando el componente se somete a niveles de energía ultrasónica más altos. En general, se ha encontrado que una duración de dos horas utilizando un limpiador ultrasónico comercialmente disponible, es suficiente para remover la mayor parte de los productos de corrosión caliente químicamente enlazados a un recubrimiento de aluminiuro. Un tratamiento preferido es de aproximadamente dos a aproximadamente cuatro horas, para asegurar una remoción completa de los productos de corrosión caliente. Enseguida de la limpieza ultrasónica, el componente se enjuaga con agua ó con otro enjuague adecuado para remover la solución de ácido acético de las superficies internas y externas del componente. Luego el componente está listo para el rejuvenecimiento de su recubrimiento de aluminiuro mediante cualquier proceso aluminizador adecuado. Durante el rejuvenecimiento, se vuelve a depositar aluminiuro de difusión sobre las regiones de donde se removieron los productos de corrosión caliente. Antes del rejuvenecimiento, estas regiones se caracterizan por una ausencia de la capa aditiva del recubrimiento de aluminiuro original, aunque queda la zona de difusión. La investigación que condujo a esta invención, involucró el tratamiento de aspas de turbina de alta presión protegidas con recubrimiento medio-ambientales de aluminiuro de difusión, que habían sido atacados por la corrosión caliente, que aparecían como una coloración azul-gris sobre las superficies de las aspas. Cada aspa se trató previamente primero mediante su paso por autoclave entre 150°C y 250°C, y a una presión de entre 100 y 3000 psi (de aproximadamente 0.7 a aproximadamente 21 Mpa) , con una solución cáustica que contenía hidróxido de sodio. Aunque el paso por autoclave disolvió con éxito los óxidos del motor de las aspas, los productos de corrosión caliente permanecieron firmamente adheridos a los recubrimientos de aluminiuro, particularmente sobre las superficies cóncavas de las aspas. Luego se sumergieron las i^?t aspas de turbina con la punta hacia abajo en un recipiente de vinagre blanco no diluido, a una temperatura de aproximadamente 65°C (aproximadamente 150°F) . Entonces el recipiente y las aspas se sometieron a agitación ultrasónica durante un total de dos horas, después de lo cual, las aspas se enjugaron con agua del grifo. Después del tratamiento anterior, y sin ningún procesamiento adicional (por ejemplo, chorro de arena ó volteo) , se observó que el producto de corrosión caliente de color azul-gris había sido completamente removido de dos de las tres aspas. El producto de corrosión caliente se removió completamente de la tercera aspa mediante un ligero chorro de arena, que no dañó el recubrimiento de aluminiuro sobre la superficie del aspa. El examen metalúrgico de las aspas mostró que la solución de vinagre calentada había reaccionado con, y había removido completamente el producto de corrosión, que habia estado presente en la capa aditiva del recubrimiento. Es importante que la solución de vinagre no atacó las regiones no corroídas del recubrimiento inmediatamente adyacentes a las regiones de donde se removieron los productos de corrosión caliente. Como resultado, las aspas estaban en condiciones para el rejuvenecimiento de sus recubrimientos de aluminiuro. Siguiendo el éxito de los resultados anteriores, se realizó una prueba adicional sobre un segundo grupo de aspas de turbina de alta presión, cuyos recubrimientos medio-ambientales de aluminiuro de difusión habían sido similarmente atacados por la corrosión caliente. En lugar de un tratamiento previo en autoclave, cada aspa se trató previamente primero mediante chorro de arena para limpiar las superficies de las aspas. 5 Estas aspas también se sumergieron con la punta hacia abajo en un recipiente de vinagre blanco no diluido, a una temperatura de aproximadamente 65 °C (aproximadamente 150 °F) , se sometieron a agitación ultrasónica durante un total de dos horas, y luego se enjuagaron con agua del grifo. La inspección de las aspas después del enjuague mostró que se habia removido completamente el producto de corrosión caliente de todas las aspas. A partir de los resultados anteriores, se concluyó que el vinagre y otras soluciones de ácido acético débiles se pueden utilizar para limpiar y remover los productos de corrosión caliente y los óxidos de las superficies aluminizadas sin dañar el recubrimiento de aluminiuro. Además se concluyó que, el tratamiento con la solución de ácido acético débil se realiza mejor con un proceso de autoclave cáustica ó chorro de arena como un acondicionamiento superficial ó un tratamiento previo de activación, para mejorar la remoción de óxidos del tipo que se forman como un resultado del medio ambiente operativo oxidante adentro de un motor de turbina de gas. Las condiciones de paso por autoclave adecuada se cree que incluyen el uso de hidróxido de sodio como la solución cáustica, utilizando presiones y temperauras de autoclave convencionales. -^^¡i&¡£¡^&j^^¡^^^^^^^^^^ En adición, se concluyó que el tratamiento con ácido acético de esta invención se puede utilizar en conjunto con la separación por autoclave cáustica para remover primero un recubrimiento de barrera térmica de cerámica sobre un recubrimiento de aluminiuro de difusión (en cuyo caso, el recubrimiento sirve como una capa de enlace para el recubrimiento de barrera térmica, y luego remover los productos de corrosión caliente del recubrimiento de aluminiuro expuesto. Este último procedimiento también también puede incluir separación con chorro de agua del recubrimiento de barrera térmica de acuerdo con la Solicitud de Patente de los Estados Unidos de Norteamérica con Número de Serie (Número de Caso dado por los abogados 13DV-12550) , que se incorpora a la presente como referencia. Aunque la invención se ha descrito en términos de una modalidad preferida, se puede ver que un experto en la técnica podría adoptar otras formas. Por ejemplo, las soluciones de ácido acético adecuadas podrían contener otros constituyentes, tanto inertes como activos. De conformidad con lo anterior, el alcance de la invención se debe limitar solamente por las siguientes reivindicaciones. - —--*»*«»..*-.-

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Un método para remover los productos de corrosión caliente de la superficie de un componente de motor de turbina de gas protegido por un recubrimiento de aluminiuro de difusión, comprendiendo el método los pasos de: sumergir el componente en una solución líquida que contenga ácido acético; y luego agitar la superficie del componente mientras está sumergido en la solución, de tal manera que se remuevan los productos de corrosión caliente de la superficie del componente, sin dañar ó remover el recubrimiento de aluminiuro de difusión.

2. Un método como se describe en la reivindicación 1, el cual comprende además el paso de aluminizar la superficie del componente para reparar las regiones de la superficie de donde se removieron los productos de corrosión caliente.

3. Un método como se describe en la reivindicación 2, el cual comprende además el paso de enjuagar la solución de la superficie del componente antes del paso de aluminizar.

4. Un método como se describe en la reivindicación 1, en donde el componente se sumerge en la solución durante cuando menos dos horas.

5. Un método como se describe en la reivindicación 1, en donde la solución se mantiene a de aproximadamente 66 °C a aproximadamente 79°C durante el paso de agitación.

6. Un método como se describe en la reivindicación 1, en donde el paso de agitación se realiza sometiendo al componente a energía ultrasónica. 7 Un método como se describe en la reivindicación 1, el cual comprende además el paso de, antes del paso de inmersión, someter al componente a una solución cáustica a una presión de aproximadamente 0.07 a aproximadamente 21 Mpa, y a una temperatura de aproximadamente 150 °C a aproximadamente 250°C, para remover los óxidos de la superficie del componente. 12. Un método como se describe en la reivindicación 7, en donde se encuentra sobrepuesto un recubrimiento de cerámica en el recubrimiento de aluminiuro de difusión sobre la superficie del componente, comprendiendo además el método el paso de, enseguida del paso de someter al componente a la solución cáustica, pero antes del paso de inmersión, someter al componente a separación con chorro de agua para remover el recubrimiento de cerámica del componente. 9. Un método como se describe en la reivindicación 1, el cual comprende además el paso de, antes del paso de inmersión, aplicar chorro de arena a la superficie del componente. 10. Un método como se describe en la reivindicación 1, en donde se remueven todos los productos de la corrosión . ..., ..... .—.. ...t ^A,..^..,-,,..».,,. caliente sobre la superficie del componente durante el paso de agitación. 11. Un método como se describe en la reivindicación 1, en donde el componente es un aspa de turbina.