Mecanismos de daño por sobrecalentamiento en Calderas o generadores de Vapor
Autor: Ing. Jorge Arturo Toribio Huerta
SURFACE & DIVING SERVICES
Río Gallegos No. 4-A Fracc. Las Vegas II, Boca del Río, Veracruz, México.
TEL. +52(229) 130 91 79

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1 Calderas
1.1 Definiciones
1.2 Clasificación
1.3 Objetivos
1.4 Partes Principales
Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
Comportamiento a elevada temperatura
Clasificación
Sobrecalentamiento a corto plazo
Sobrecalentamiento a largo plazo
Degradación microestructural
Corrosión a alta temperatura (Oxidación térmica)
Creep (Termofluencia)
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
Contenido

1 Calderas
1.1 Definiciones
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Caldera: En términos generales a este equipo se le considera como un productor de vapor. Las
calderas son diseñadas para transmitir el calor procedente de una fuente externa a un fluido contenido
dentro de la misma, estas se pueden clasificar en dos acuotubulares y pirotubulares.
Generador de vapor: Se llama así al conjunto o sistema formado por una caldera y sus accesorios.
En la practica se habla de “calderas” refiriéndose a todo el conjunto o “generador de vapor”. Por tal
razón, usaremos indistintamente ambos términos.

1 Calderas
1.2 Clasificación
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1.- Acuotubulares o de tubos de agua: El agua circula por dentro de los tubos, captando calor de los
gases captando el calor de los gases que pasan por el exterior.

1 Calderas
1.2 Clasificación
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2.- Pirotubulares o de tubos de humo: En estas calderas, los humos pasan dentro de los tubos,
cediendo calor al agua que los rodea.

1 Calderas
1.3 Objetivos
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Las calderas o generadores de vapor son dispositivos cuyo objetivo es:
1.- Generar agua caliente para calefacción y uso general.
2.- Generación de vapor para plantas de fuerza.

1 Calderas
1.4 Partes principales
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2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.1 Comportamiento a elevada temperatura
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Cuando analizamos el comportamiento a
elevada temperatura hemos visto como
disminuye la resistencia al aumentar la
temperatura. Debido a la movilidad creciente
de los átomos los procesos controlados por la
difusión tendrán una gran influencia sobre las
propiedades mecánica a altas temperaturas.
La difusión es el mecanismo por el cual la
materia se transporta a través de la materia.
Desde una perspectiva atómica, la difusión es
la migración de los átomos de un sitio a otro
de la red cristalina.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.1 Comportamiento a elevada temperatura
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2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.1 Comportamiento a elevada temperatura
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2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.1 Comportamiento a elevada temperatura
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1.- Mecanismos de difusión sustitucional por vacancia
2.- Mecanismo intersticial
Los átomos pueden moverse en la red cristalina de una
posición atómica a otra si tienen suficiente energía de
activación procedente de sus vibraciones térmicas y si
existen vacantes u otros defectos cristalinos en la red
hacia las que los átomos puedan desplazarse. Cuando se
aumenta la temperatura del metal, hay más vacantes y
más energía térmica disponible y por tanto la velocidad
de difusión es superior a temperaturas más elevadas.
La difusión intersticial de los átomos en las redes
cristalinas tiene lugar cuando los átomos se mueven de
un sitio intersticial a otro intersticio vecino sin desplazar
de manera permanente a ninguno de los átomos de la
red cristalina de la matriz. Para que el mecanismo
intersticial sea operativo, el tamaño de los átomos que se
difunden debe ser relativamente pequeño comparado
con el de los átomos de la matriz.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.1 Comportamiento a elevada temperatura
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La vida útil según el diseño de cualquier componente o pieza de un equipo puede variar de segundos
para unas aplicaciones aeroespaciales, como los motores de cohetes, a 25 o más años para los tubos
de los condensadores de una planta de energía. Entre estos dos extremos hay una variedad de
requerimientos respecto a la vida útil donde los cambios de los materiales suelen ocurrir entre los diez
y quince años de servicio.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.2 Clasificación
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Sobrecalentamiento
Corto plazo
Largo plazo Corrosión a alta temperatura
Degradación microestructural
Creep
Grafitización
Esferoidización

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.3 Sobrecalentamiento a corto plazo
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Se produce rápidamente al excederse la resistencia del mecánica del material que ha sido disminuida
por elevada temperatura. Generalmente se producen circunstancias anormales durante un breve
periodo de tiempo de las condiciones normales de servicio. Estos eventos generalmente tienen que
ver con problemas operativos o de diseño causando un abrupto incremento de la temperatura, ya sea
por el del aporte de calor o la disminución del flujo del refrigerante.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.4 Sobrecalentamiento a largo plazo
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Las fallas por sobrecalentamiento a largo plazo resultan de una exposición a temperaturas ligeramente
superiores a las indicadas por diseño por tiempos prolongados (en ciertos casos, próximos a su vida
útil contemplada).
Las roturas provocadas por este tipo de sobrecalentamiento, algunas veces son referidas como fallas
por creep (termofluencia); debido a que manifiestan las mismas características de dichas fallas, las
cuales se suscitan después de que la tubería ha concluido su vida útil estimada en diseño.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.5 Degradación microestructural
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2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.5.1 Grafitización
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Descripción del daño
a) La grafitización es un cambio en la microestructura de ciertos aceros al carbono y aceros 0.5Mo
después de largos periodos de operación en el rango de 800 °F a 1100 °F (427 °C a 593 °C) que puede
causar una pérdida de resistencia, ductilidad, y / o resistencia a la fluencia.
b) A temperaturas elevadas, las fases de carburo en estos aceros son inestables y pueden
descomponerse en nódulos de grafito. Esta descomposición se conoce como grafitización.
Materiales afectados
Algunos grados de acero al carbono y aceros 0,5Mo.
Factores críticos
Los factores más importantes que afectan la grafitización son la química, esfuerzos, temperatura y
tiempo de exposición.

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2.5.1 Grafitización
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Apariencia o morfología del daño
a) El daño debido a la grafitización no es visible o evidente, y solo puede ser observado por examen
metalográfico.
b) Las etapas avanzadas de daño relacionadas con la pérdida en la resistencia a la fluencia pueden
incluir microfisuras, microcavidades, agrietamiento subsuperficial o agrietamiento conectado
superficialmente.
Mecanismos relacionados
La esferoidización y la grafitización son mecanismos que se producen al solaparse rangos de
temperatura. La esferoidización tiende a ocurrir por encima de los 1025 °F (551 °C), mientras que la
grafitización predomina por debajo de esta temperatura.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.5.1 Grafitización
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Típica estructura de ferrita y perlita de aceros al
carbón.
Fotomicrografía de muestra metalográfica que
muestra nódulos de grafito.

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2.5.2 Esferoidización
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Descripción del daño
La esferoidización es un cambio en la microestructura de los aceros después de la exposición en el
rango de 850 °F a 1400 °F (440 °C a 760 °C), donde las fases de carburo en los aceros al carbono son
inestables y pueden aglomerarse de su forma de placa normal a una forma esferoidal, o de carburos
pequeños. La esferoidización puede causar una pérdida de resistencia y / o resistencia a la fluencia.
Materiales afectados
Todos los grados de acero al carbono de uso común y aceros de baja aleación, incluidos C-0.5Mo,
1Cr-0.5Mo, 1.25Cr-0.5Mo, 2.25Cr-1Mo.
Factores críticos
Los factores más importantes que afectan la grafitización son la química, esfuerzos, temperatura y
tiempo de exposición.
El rango de Esferoidización depende de la temperatura y la microestructura inicial.

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2.5.2 Esferoidización
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Apariencia o morfología del daño
El daño debido a la esferoidización no es visible o evidente, y solo puede ser observado por examen
metalográfico.
Mecanismos relacionados
La esferoidización y la grafitización son mecanismos que se producen al solaparse rangos de
temperatura. La esferoidización tiende a ocurrir por encima de los 1025 °F (551 °C), mientras que la
grafitización predomina por debajo de esta temperatura.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.5.2 Esferoidización
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Típica estructura de ferrita y perlita de aceros al
carbón.
Fotomicrografía que muestra carburos
pesfeoroidizados.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.6 Corrosión a alta temperatura (Oxidación térmica)
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Un signo de sobrecalentamiento de larga duración puede ser una capa gruesa, frágil y oscura de oxido
sobre la superficie interna o externa del tubo. Se da cuando la temperatura del metal sobre pasa cierto
valor de temperatura para cada aleación de la cual esta compuesto. Presentándose fisuras, grietas
longitudinales o parches de oxido exfoliados producto de la expansión y contracción del tubo causado
por la deformación durante el sobrecalentamiento o por esfuerzos térmicos.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.7 Creep (Termofluencia)
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El proceso de creep representa la deformación plástica del material en función del tiempo, por ello es
importante la tasa o velocidad de termofluencia: (∆ε/∆t) a la que tiene lugar el fenómeno y que es
característica de cada etapa. La velocidad de termofluencia es un dato esencial ya que permite inferir
el tiempo de rotura del material.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.7.1 Evaluación de daños por método de Fotomicrografías
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La metalografía es una técnica no destructiva que se le realiza a materiales que se encuentran en
servicio, permite evaluar la degradación del material por el fenómeno de fluencia lenta.
Los procesos de degradación son: la globulización y la descarburización (perdida de carbono en la
superficie del acero) a altas temperaturas bajo la acción de determinadas mezclas gaseosas que
reaccionan con el carbono presente en la superficie, ejemplo la microestructura ferrítica sin presencia
de perlita.

2 Mecanismos de daño por sobrecalentamiento
2.7.1 Evaluación de daños por método de Fotomicrografías
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Fin
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