VII LATIN CORR 2012 (PETROQUIM-001LATC2012)

ANALISIS DE FALLA DE ANILLO DE REFUERZO DE BARRA DEL ROTOR DEL MOTOR

ELECTRICO

Margarita Hidalgo; Luis Corredor Proyectos Produtec. C.A; Av. Francisco Solano c/c La Iglesia; Centro Solano Plaza,

Piso 2, Oficina 2B, Sabana Grande. Caracas, Venezuela. mhidalgo@produtec.net / lcorredor@produtec.net

RESUMEN

Se realizo una investigacin metalrgica con el fin de determinar las posibles causas de falla, de un motor elctrico de 1.100 KW del sistema de compresin de CO2 de una planta petroqumica, durante la inspeccin del equipo se observ la fractura de un anillo de refuerzo de la barra del rotor, la cual causo daos adicionales por cortos circuitos en componentes del estator. En el presente resumen se exponen los anlisis destructivos realizados a nivel de Laboratorio en muestras representativas del anillo fallado, los resultados obtenidos y las conclusiones y recomendaciones derivadas de la investigacin. Los siguientes ensayos fueron realizados en las muestras removidas: Inspeccin visual del anillo fallado, microscopa ptica estereoscpica, Evaluacin Metalogrfica, Perfiles de microdureza, Anlisis Fractogrficos mediante MEB y EDS. La presencia masiva de grietas que se propagaron a lo largo de los lmites de grano, as como el agrietamiento secundario en forma escalonada que se detect en ambos anillos corresponde claramente a un mecanismo de ataque electroqumico asociado con el ambiente a que estuvo expuesto el anillo durante su tiempo de servicio. Los anlisis realizados en la superficie de fractura detectaron la presencia de cloro en todos los casos, por lo cual se infiere que el material austentico sufri corrosin bajo tensiones y Fragilizacion por hidrgeno [2] condiciones que llevaron a la fractura del anillo. Las elevadas durezas del material y la presencia de bandas de deslizamiento promovieron el mecanismo de agrietamiento inducido por ataque electroqumico en presencia de altos esfuerzos residuales en el anillo. Para prevenir fallas similares se recomienda investigar el posible acceso de agua salada al sistema y seleccionar un recubrimiento protector del anillo para impedir corrosin electroqumica que promueva este tipo de fallas.

INTRODUCCION En el mes de Agosto del ao 2008, ocurri una falla en el motor elctrico 12-MK-451 de 1.100 KW del sistema de compresin de CO2 debido a la fractura de un anillo de refuerzo de la barra del rotor, causando daos adicionales por cortos circuitos en componentes del estator por lo cual se decidi realizar una investigacin metalrgica con el fin de determinar las causas de la falla. En el presente reporte tcnico se exponen los anlisis destructivos realizados a nivel de Laboratorio en muestras representativas del anillo fallado, los resultados obtenidos y las conclusiones y recomendaciones derivadas de la investigacin.

PROCEDIMIENTOS Los siguientes procedimientos de anlisis fueron realizados en las muestras removidas del anillo fallado:

Inspeccin Visual del anillo fallado.

Inspeccin mediante Microscopa ptica Estereoscpica de la fractura.

Evaluacin Metalogrfica detallada de la zona de dao.

Perfiles de Microdureza.

Anlisis Fractogrficos mediante Microscopa Electrnica de Barrido.

Anlisis mediante Dispersin de Energa de Rayos X (EDS).

Anlisis de Resultados y determinacin del mecanismo de falla.

RESULTADOS

Inspeccin Visual del Anillo Fracturado. El anillo instalado en el motor present fractura en la seccin transversal con una grieta que se origin en el agujero roscado y desprendi un fragmento del cuerpo principal que caus los daos registrados en componentes del estator (Figuras 1-2). Un examen ms detallado de la superficie del material mostr evidencia de corrosin incipiente en zonas localizadas y grietas muy finas que se propagaron en direccin transversal (Figura 3-4). La superficie de fractura mostr una morfologa de facetas planas caractersticas de fractura frgil y sin evidencia de deformacin plstica.

Figura. 3 y 4. Respectivamente detallan la zona de fractura del anillo asociada con una rosca mecanizada en el metal base.

Anlisis Metalogrficos Se cortaron muestras del anillo removido y se prepararon para su observacin Metalogrfica utilizando mtodos certificados para aceros austenticos. El examen del material en la condicin de pulido sin ataque qumico mostr en el anillo fracturado la presencia de mltiples grietas que se propagaron principalmente por los lmites de grano de la austenita y fisuras muy finas que en su propagacin desprendieron pequeos fragmentos del material (Figura 5). Adicionalmente se detect presencia de cobre en algunas zonas de las grietas el cual colore de color rojizo los bordes de grano (Figura 6). La microestructura revelada mediante ataque con cido oxlico mostr que el material presenta una estructura de granos austenticos con bandas de deslizamiento asociadas con trabajo en fro provenientes del proceso de fabricacin y agrietamiento generalizado en los bordes de grano (Figuras 7-8). La estructura del metal base de los anillos en zonas alejadas del agrietamiento present una matriz completamente austentica con maclas de deformacin y bandas de deslizamiento (Figura 8).

Figura 5 (a y b). Metalografa en corte transversal de la parte interna del anillo sin ataque qumico. El material muestra grietas abiertas llenas de productos de corrosin y micro fisuras ramificadas. Ntese

la presencia de productos de corrosin dentro de las grietas.

Figura. 1. Ubicacin del anillo fracturado en el motor elctrico 12-MK-451

Figura. 2. Vista general del anillo fracturado en servicio

a b

Figura 6 (a y b). Detalle del agrietamiento intergranular con depsitos de color cobre. Los lmites de grano se marcan por el agrietamiento y presentan un color rojizo en algunas zonas.

Figura 7. Metalografa corte transversal de la parte interna del anillo con ataque. El patrn de agrietamiento con grietas abiertas y grietas finas se revela claramente adems de la

presencia de bandas de deslizamiento en el interior de los granos de austenita como las indicadas por las flechas

Figura 8. Metalografa corte transversal de la parte externa del anillo con ataque.

Se resalta el agrietamiento intergranular y fisuras aisladas en el interior del grano austentico con morfologa escalonada como lo indican las flechas.

a b

Figura 9. Metal Base del Anillo 1 alejado de la zona de falla.

El metal base es austenita con presencia de maclas y bandas de deslizamiento.

Mediciones de Micro Dureza Mediciones de microdureza tomadas en zonas cercanas a la falla mostraron valores promedio de 340 HV para el anillo fracturado. Los valores promedio del metal base en zonas alejadas de las grietas son muy similares (Figura 10).

Figura 10. Perfil de microdureza del anillo en la zona de agrietamiento.

Anlisis mediante Microscopa Electrnica de Barrido y Dispersin de Energa de Rayos X.

El examen de la superficie de fractura mediante microscopa electrnica de barrido mostr fractura frgil intergranular con facetas de clivaje y extenso agrietamiento secundario con ligero ataque corrosivo por exposicin al ambiente (Figuras 11-12). Los anlisis de depsitos y de la cara de fractura mostraron la presencia de cloro, silicio, calcio y cobre como elementos exgenos a la aleacin (Figura 13).

La identificacin del material base de la aleacin mostr que se trata de un acero con 18,6% de Manganeso, 5% de Cromo y 1,8 % de nquel lo cual lo identifica como un acero Hadfield modificado de baja permeabilidad magntica para ser utilizado en motores elctricos con estructura austentica (Figura 14).

Figura 11. Microscopa Electrnica de Barrido de la Superficie de fractura del anillo 1, El material presenta desintegracin completa por agrietamiento intergranular asociado con prdida de

cohesin de los lmites de grano

Figura 12. Vista a mayor aumento de la superficie de fractura. Se aprecia la desintegracin del material por los lmites del grano y presencia de facetas planas

asociadas con fractura frgil.

Figura 13. Anlisis mediante Dispersin de Energa de Rayos X de la Superficie de Fractura tal como fue removida del anillo.

Adems del alto contenido de oxgeno se detecta la presencia relevante de Cobre y Cloro.

Figura 14. Anlisis del metal base del anillo. El anillo corresponde a un acero Hadfield con 18,6% de manganeso y 5% de Cromo con un contenido de

nquel cercano al 2 %.

ANALISIS DE RESULTADOS El acero del anillo corresponde a un acero Hadfield de desarrollo moderno con alto contenido de manganeso, y adicin de cromo para mejorar la resistencia a la corrosin, y posee una estructura austentica, de baja permeabilidad magntica (

Los anlisis realizados en la superficie de fractura detectaron la presencia de cloro en todos los casos, por lo cual se infiere que el material austentico sufri corrosin bajo tensiones y fragilizacin por hidrgeno, condiciones que llevaron a la fractura del anillo. Las elevadas durezas del material y la presencia de bandas de deslizamiento promovieron el mecanismo de agrietamiento inducido por ataque electroqumico en presencia de altos esfuerzos residuales en el anillo.

CONCLUSION El anillo del motor 12-MK-451 sufri fractura por la combinacin de esfuerzos residuales provenientes de trabajo en fro del material, ambiente electroqumico de humedad en presencia de cloruros y un material austentico susceptible que fue afectado por agrietamiento promovido por el ambiente, especficamente corrosin bajo tensiones y Fragilizacion por hidrgeno.

RECOMENDACION Para prevenir fallas similares se recomienda utilizar un revestimiento protector en el anillo y prevenir ingreso accidental de agua salada a la zona del anillo. Adicionalmente el anillo de reemplazo debe ser suministrado con un tratamiento trmico de recocido completo de tal manera que su dureza no exceda los 220 HV.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1. ABRAY, K; Hydrogen embrittlement. Engineering Failure Analysis. 2008. 15: 434-439. 2. WANG, M; Effect of hydrogen on the fracture behavior of high strength steel during slow

strain rate test. Corrosion Science. 2007. 49: 4081-4097. 3. REED-HILL, R; Principios de Metalurgia Fsica; Editorial Continental; Mxico 1971, 2da

edicin. 4. KEHL, G; Fundamentos de la Practica Metalografica; Editorial Aguilar; Espaa 1963,

2da edicin