Técnica Destacada Vol.3

DISEÑANDO INSUMOS DE SOLDADURA DE ALTA CALIDAD PARA REACTORES DE ENERGÍA NUCLEAR

La energía nuclear, crecientemente resaltada como una fuente de energía más limpia que los combustibles fósiles, ha presenciado un aumento rápido en la construcción de plantas de energía, particularmente en los países Asiáticos. Este artículo introduce los aceros especiales e insumos de soldadura necesarios para la construcción de plantas de energía nuclear.

Sistemas de Generación de Energía Nuclear

Tabla 1: Tipos de reactores nucleares

Reactor	Combustible	Moderador	Refrigerante	Nota
Reactor de agua liviana	Uranio enriquecido	Agua liviana	Agua liviana	▪ BWR ▪ ABWR ▪ PWR
Reactor enfriado por gas	Uranio natural o enriquecido	Grafito	CO2	▪ AGR ▪ Calder 　Hall AGR
Reactor de agua pesada	Uranio natural o enriquecido	Agua pesada	▪ CO2 ▪ Agua liviana ▪ Agua pesada
Reactor de gas caliente	Uranio enriquecido	Grafito	Helio
Reactores reproductores rápidos	Uranio o Plutonio enriquecidos	Ninguno	▪ Sodio ▪ Aleaciones de Na-K	FBR

La electricidad derivada de la energía nuclear es una forma de energía calorífica, generada por la reacción en cadena de fisión del uranio enriquecido en el recipiente del reactor, la cual es transferida hacia un refrigerante que produce el vapor que causa la rotación de la turbina.

Existen varios tipos de reactores nuclear, utilizando diferentes moderadores y refrigerantes, como se muestra en la Tabla 1. Fig. 1 (izquierda) muestra un diagrama típico de un reactor de agua hirviendo (BWR) y la Fig. 1 (parte superior), un reactor de agua presurizada (PWR). Ambos son reactores de agua livianos (LWR), el tipo de reactores nucleares más común.

Códigos de recipientes a presión nucleares

Tabla 2: Criterio para evaluar al RTNDT en materiales ferríticos tales como los aceros e insumos de soldadura de Mn-Mo-Ni

Método de prueba	Criterio de evaluación
Prueba de caída de peso	Temperatura, 5°C más baja que la temperatura más baja donde ambas piezas de la prueba de caída de peso se consideran como "no-break"; se define como TNDT.
Prueba Charpy de impacto	Cuando las 3 piezas en una prueba Charpy de impacto a una temperatura igual o inferior al +33°C de TNDT satisfacen las siguientes condiciones, se define al TNDT como RTNDT: (1) La energía absorbida es de 68 J como mínimo. (2) La expansión lateral es de 0.90 como mínimo.

Mientras que cada país define sus propias normas para sus industrias nucleares, los códigos ASME de La Sociedad Americana de Ingeniería Mecánica son adoptados con gran amplitud. ASME Sec. III Div. 1 (Componentes de una Planta de Energía Nuclear) y ASME Sec. XI (Reglas para una Inspección en Servicio de los Componentes de una Planta de Energía Nuclear); estos códigos especifican detalladamente los requisitos en términos de diseño, fabricación, prueba, inspección, y aseguramiento de la calidad. Particularmente, la resistencia al agrietamiento es uno de los requisitos clave para los materiales ya que regula la resistencia a las fracturas frágiles. Por ejemplo, la Tabla 2 muestra el criterio de evaluación de Transición de Ductilidad Nula de Temperatura Referencial (RTNDT) obtenida a través de las pruebas de resistencia al agrietamiento para materiales ferríticos tales como los aceros y metales de soldadura de Mn-Mo-Ni.

Especificaciones para Aceros para Reactores Nucleares

Tabla 3: Propiedades mecánicas y químicas de los aceros para los recipientes a presión del reactor

Especificación ASME	SA-533		SA-508
Tipo o grado	Tipo B		Gr. 2	Gr. 3
Clase	1	2	1	1
C (%)	≤ 0.25	≤ 0.25	≤ 0.35	≤ 0.75
Si	0.15-0.40	0.15-0.40	0.15-0.35	0.15-0.35
Mn	1.15-1.50	1.15-1.50	0.40-0.90	0.50-0.90
P	≤ 0.035	≤ 0.035	≤ 0.025	≤ 0.025
S	≤ 0.04	≤ 0.04	≤ 0.025	≤ 0.025
Ni	0.40-0.70	0.40-0.70	≤ 0.4	0.50-1.00
Cr	-	-	≤ 0.25	0.25-0.45
Mo	0.45-0.60	0.45-0.60	≤ 0.1	0.55-0.70
V	-	-	≤ 0.05	≤ 0.05
0.2%YS (MPa)	≥ 345	≥ 485	≥ 345	≥ 345
TS (MPa)	550-690	620-795	550-725	550-725
El (%)	≥ 18	≥ 16	≥ 18	≥ 18
RA (%)	-	-	≥ 38	≥ 38
IV a +4.4°C (J)	-	-	Cada ≥ 34 Promedio ≥ 41*1	Cada ≥ 34 Promedio ≥ 41*1
Norma JIS relevante	JIS G 3120 SQV 2 A	JIS G 3120 SQV 2 B	JIS G 3204 SFVQ 2 A	JIS G 3120 SFVQ 1 B
*1: La media calculada para tres muestras.

Los reactores nucleares consisten de recipientes a presión del reactor (RPV); generador de vapor (SG) y presurizado utilizado solo en PWRs; la tubería de refrigeración del lado primario; y la estructura de contención. Un RPV opera a temperaturas y presiones altas; por ello sus componentes están hechos de acero resistente al calor, es decir, de aceros de Mn-Mo-Ni de acuerdo al ASME Sec. II Parte A (Especificaciones de Material Ferroso). El SA-533 y SA-508 se utilizan comúnmente para el RPV, así como para el presurizador y SG en PWRs. La Tabla 3 muestra las propiedades mecánicas y químicas y las normas JIS relevantes como referencia.

Para la tubería del lado primario del sistema de refrigeración, el acero inoxidable de tipo 304L y las aleaciones a base de Ni se utilizan generalmente, debido a sus propiedades anticorrosivas, alta resiliencia y buena soldabilidad.

Especificaciones para Insumos de Soldadura

Tabla 4: Insumos de soldadura de TRUSTARC^TM categorizados por el nivel de resistencia a la tracción para aceros de Mn-Mo-Ni

Clase de resistencia a la tracción de los insumos de soldadura
	Clase 620 MPa		Clase 690 MPa
Aceros aplicables (ASME)	SA-533 Tipo B Cl.1 SA-508 Gr.2 Cl.1 SA-508 Gr.3 Cl.1		SA-533 Tipo B Cl.2
Proceso de Soldadura	Designación comercial	Clase AWS.	Designación comercial	Clase AWS.
SMAW	BL-96	A5.5 E9016-G	BL-106	A5.5 E10016-G
SAW	MF-27X/ US-56B	A5.23 F9P4-EG-G	MF-29AX/ US-63S	A5.23 F10P2-EG-G
	PF-200/ US-56B	A5.23 F9P4-EG-G	PF-200/ US-63S	A5.23 F10P2-EG-G
GTAW	TG-S56	A5.28 ER80S-G	TG-S63S	A5.28 ER90S-G
Nota: El MF-27X es un "fused flux", mientras que el PF-200 es un "bonded flux".

Cuando una planta de energía nuclear se construye de acuerdo al ASME Sec. III, los insumos de soldadura deben ser seleccionados en cumplimiento con ASME Sec. II Parte C (Especificaciones para Varillas de Soldadura, electrodos, y metales de relleno), y los procedimientos de soldadura deben ser calificados bajo ASME Sec. IX (Calificaciones de Soldadura). Como todos los insumos de soldadura especificados en ASME Sec. II Parte C son idénticos a los que están en la norma AWS, este artículo discutirá los insumos de soldadura de acuerdo a la norma AWS.

Porque la seguridad es de suma importancia en la generación de energía nuclear, los insumos de soldadura deben ser confiables y tener la fuerza suficiente para resistir a temperaturas elevadas durante el funcionamiento, la fragilización de moderación baja en caso de una parada de emergencia, alta resistencia a la fragilidad por irradiación de neutrones, y una buena soldabilidad.

La Tabla 4 muestra cómo los insumos de soldadura se unen a los aceros de MN-Mo-Ni. Los insumos de soldadura están divididos en dos clases de resistencia a la tracción, 620 y 690 Mpa, dependiendo de los aceros aplicables. Las propiedades mecánicas y químicas típicas de los metales de soldadura por insumos de soldadura de 620 MPa y 690 MPa se muestran en las Tablas 5 y 6, respectivamente.

Tabla 5: Propiedades mecánicas y químicas típicas de los metales de soldadura (insumos de soldadura de clase 620 MPa)

Proceso de Soldadura	SMAW		SAW				GTAW
Designación comercial	BL-96		MF-27X/ US-56B		PF-200/ US-56B		TG-S56
Polaridad	AC*1		AC*1		AC*1		DCEN
C (%)	0.06		0.08		0.08		0.05
Si	0.54		0.28		0.11		0.41
Mn	1.30		1.05		1.23		1.54
P	0.005		0.009		0.007		0.008
S	0.004		0.004		0.003		0.006
Cu	0.02		0.08*2		0.08*2		0.15*2
Ni	0.37		0.87		0.83		0.66
Cr	0.02		0.06		0.02		0.03
Mo	0.53		0.50		0.43		0.52
Co	0.005		0.005		0.005		0.005
PWHT (°C×hr)	620× 1	600× 16	595× 3	635× 26	590× 3	620× 11	620× 1	650× 15
0.2%YS (MPa)	620	575	528	480	580	490	520	499
TS (MPa)	700	667	618	560	669	580	590	564
El (%)	26	25	33	32	28	30	31	33
IV a 0°C (J)	150	149	-	-	-	-	-	-
IV a – 10°C (J)	-	-	-	-	-	-	-	171
IV a – 12°C (J)	-	-	174	180	-	-	290	-
IV a – 18°C (J)	-	89	-	-	-	-	-	-
IV a – 20°C (J)	-	-	-	-	189	210	-	-
IV a – 40°C (J)	-	-	137	-	142	-	-	204
RTNDT (°C)	-	–35	–55	-	-	-	-	–70
*1 Solo para AC. No se recomiendo para DC. *2 Inclusive de revestimiento de Cu

Tabla 6: Propiedades mecánicas y químicas típicas de los metales de soldadura (insumos de soldadura de clase 690 MPa)

Proceso de Soldadura	SMAW		SAW				GTAW
Designación comercial	BL-106		MF-29AX/ US-63S		PF-200/ US-63S		TG-S63S
Polaridad	AC*1		AC*1		AC*1		DCEN
C (%)	0.10		0.10		0.08		0.09
Si	0.53		0.21		0.10		0.32
Mn	1.41		1.49		1.51		1.23
P	0.009		0.006		0.007		0.006
S	0.005		0.005		0.004		0.006
Cu	0.02		0.07*2		0.06*2		0.18*2
Ni	0.76		1.35		1.31		1.58
Cr	0.04		0.17		0.14		0.04
Mo	0.50		0.51		0.47		0.40
Co	0.005		0.005		0.005		0.003
PWHT (°C×hr)	595× 3	613× 15	595× 3	612× 15	590× 3	600× 16	620× 1	635× 16
0.2%YS (MPa)	670	561	640	589	620	552	570	563
TS (MPa)	770	657	740	691	700	641	620	636
El (%)	28	26	28	22	28	28	28	29
IV a 0°C (J)	110	170	-	-	-	-	-	-
IV a – 10°C (J)	-	-	-	-	-	-	-	166
IV a – 12°C (J)	-	-	120	105	-	-	-	-
IV a – 15°C (J)	-	-	-	-	-	235	-	-
IV a – 20°C (J)	-	-	-	-	170	-	-	-
IV a – 30°C (J)	-	111	-	52	-	-	-	-
IV a – 40°C (J)	-	-	89	-	124	-	-	195
IV a – 47°C (J)	-	-	-	-	-	-	200	-
RTNDT (°C)	-	–45	-	–45	-	–18	-	–70
*1 Solo para AC. No se recomiendo para DC. *2 Inclusive de revestimiento de Cu.

Varios conceptos básicos de diseño se aplican a los insumos de soldadura para aceros de Mn-Mo-Ni acero. Uno es añadir Si, Mn, Ni y Mo al metal de soldadura en las mismas proporciones que al acero, con el fin de aumentar el grado de templabilidad y obtener una microestructura de ferrita-bainita, bainita o bainita-martensita. Otro es la adición de carbono. El carbono aumenta el grado de templabilidad y disminuye el contenido de oxígeno en el metal de soldadura, lo cual resulta en una mejor resiliencia. Pero el carbono en exceso también puede promover fragilidad a través de precipitaciones de carburo (por ejemplo, cementita) durante el PWHT así como reducir la resistencia al agrietamiento. Por lo tanto, el contenido de carbono del metal de soldadura debe ser controlado a un nivel ligeramente inferior en comparación al metal base. Un tercer concepto de diseño es reducir al mínimo las impurezas tales como P y Sn con el fin de evitar la fragilización del metal de soldadura inducida por PWHT. El aumento de la basicidad, particularmente en un fundente SAW, es también otro concepto de diseño, por lo que el contenido de oxígeno en el metal de soldadura se reduce, obteniendo así una alta resiliencia. Por ejemplo, al utilizar un TRUSTARCTM PF-200 (un "bonded flux") en lugar de un TRUSTARCTM MF-27X (un "fused flux") se obtiene una basicidad mayor y por consecuente una mejor resiliencia, como se muestra en la Fig. 3.

El aumento de la resistencia al agrietamiento de los insumos de soldadura es importante para poder resistir las tensiones residuales inducidas por soldadura en un recipiente a presión grueso. Controlar el contenido S y C evitará agrietamientos en caliente, y reducir al mínimo el contenido de hidrógeno difusible aumentará la resistencia a agrietamientos en frío. En particular, los recubrimientos de los electrodos del SMAW están diseñados para disminuir la absorción de humedad, una fuente muy importante de hidrógeno difusible. Como se muestra en la Fig. 4, el electrodo del SMAW resistente a la humedad ofrece una recolección de humedad lenta, reduciendo así el contenido de hidrógeno difusible en el metal de soldadura.

Otro concepto básico de diseño es considerar la fragilización por irradiación de neutrones y la resistencia a la radiactividad inducida en relación a ambos, metal de soldadura y metal base. Debido a que la fragilización por irradiación de neutrones ocurre en la región de la línea de circunvalación de RPVs durante la operación, es un factor importante no solo para el acero, sino también para el metal de soldadura. Cu y P, los cuales mejoran la fragilización por irradiación de neutrones y tales elementos con alta radiactividad inducida como el Co y Nb se reducen al nivel más bajo posible. De hecho, los alambres SAW sin revestimiento de Cu están ahora disponibles.

Las superficies interiores de un RPV, SG y la tubería de lado primaria constituyen un ambiente severamente corrosivo debido al agua de refrigeración que circula contaminada con elementos radiactivos. La superficie interior, en contacto directo con el refrigerante, está soldado a superposición con insumos de soldadura para aceros inoxidables o aleaciones a base de Ni con el fin de protegerla de la corrosión.

En las superficies internas de la carcasa y de la placa final de un RPV largo, la eficiente soldadura superpuesta de modo SAW o ESW con electrodos de fleje es utilizada. En las superficies internas de las tuberías y boquillas, el GTAW y GMAW son utilizados. Los conceptos y procesos de la soldadura superpuesta con electrodos de fleje en los dos modos se muestran en las Fig. 5 y 6 respectivamente. El modo ESW está caracterizado por la penetración superficial que reduce la dilución por el metal base, proporcionando de este modo una soldadura de bajo carbono con una mejor resistencia a la corrosión. El modo de SAW ofrece una baja entrada de calor debido a la más rápida velocidad de soldadura, por lo cual es un proceso más favorable para el metal base, el cual es susceptible al agrietamiento debajo del revestimiento (UCC).

La Tabla 7 muestras los fundentes y los electrodos de fleje para los metales de soldadura 304L por soldadura superpuesta de modo SAW y ESW; y los números químicos y de ferrita (FN por diagrama WRC) y metales de soldadura superpuestos.

La Tabla 8 muestra los insumos de SMAW y GTAW para metales de soldadura 304L superpuestos y los químicos de los metales depositados sin diluir. La Tabla 9 muestra los insumos de soldadura de aleaciones a base de Ni para SMAW y GTAW; y las propiedades mecánicas y químicas de los metales depositados sin diluir.

Tabla 7: Fundentes y electrodos de fleje del SAW y ESW para metales de soldadura 304L; y los números químicos y de ferrita de los metales de soldadura superpuestos

Proceso	SAW		ESW
	Capa simple*1	2da capa	Capa simple*1	2da capa
Designación comercial*2	PF-B1/US- BQN309L	PF-B1/US- BQN308L	PF-B7FK/US- BQN309L	PF-B7FK/US- BQN308L
Clase AWS.	A5.9 EQ309L	A5.9 EQ308L	A5.9 EQ309L	A5.9 EQ308L
Polaridad	DCEP	DCEP	DCEP	DCEP
C (%)	0.030	0.028	0.018	0.015
Si	0.67	0.65	0.53	0.54
Mn	1.14	1.05	1.36	1.14
P	0.018	0.019	0.017	0.020
S	0.004	0.005	0.002	0.004
Cu	0.04	0.05	0.05	0.03
Ni	12.65	10.21	12.80	10.35
Cr	23.05	19.75	23.65	19.87
V	0.05	0.04	0.05	0.04
Co	0.04	0.04	0.04	0.04
N	0.041	0.019	0.048	0.020
FN*3	12	9	15	11
*1 Para un proceso de una sola capa o capa inferior en un proceso de capas múltiples. *2 Tamaño del fleje disponible: 0.4 mm de grosor × 25, 50, y 75 mm de ancho. *3 Por diagrama de WRC.

Tabla 8: Insumos del SMAW y GTAW para metales de soldadura 304L superpuestos; y los números químicos y de ferrita de los metales depositados sin diluir

Proceso	SMAW		GTAW
Designación comercial*2	NC-39L	NC-38L	TG-S309L	TG-S308L
Clase AWS.	A5.4 E309L-16	A5.4 E308L-16	A5.9 EQ309L	A5.9 EQ308L
Polarity	DCEP o AC	DCEP o AC	DCEP	DCEP
C (%)	0.023	0.029	0.012	0.007
Si	0.51	0.20	0.41	0.36
Mn	1.56	1.44	1.74	1.91
P	0.021	0.019	0.009	0.016
S	0.003	0.004	0.003	0.003
Cu	0.03	0.03	0.02	0.02
Ni	12.46	10.24	12.29	10.26
Cr	23.92	20.31	23.76	19.86
V	0.05	0.05	0.05	0.05
Co	0.04	0.04	0.05	0.02
N	0.053	0.050	0.048	0.043
FN*1	16	8	14	9
*1 Por diagrama de WRC.

Tabla 9: Insumos del SMAW y GTAW para aleaciones a base de Ni; y las propiedades mecánicas y químicas de los metales depositados sin diluir en la condición de como-soldados.

Proceso	SMAW	GTAW
Designación comercial*2	NI-C703D	TG-S70NCb
Clase AWS.	A5.11 ENiCrFe-3	A5.14 ERNiCr-3
Polarity	DCEP	DCEP
C (%)	0.06	0.02
Si	0.34	0.18
Mn	6.55	2.93
P	0.004	0.001
S	0.003	0.002
Ni	69.40	71.64
Cr	13.21	20.20
Nb+Ta	2.00	2.33
Fe	7.90	1.50
Ti	0.01	0.55
Co	0.03	0.02
0.2%YS (MPa)	360	370
TS (MPa)	620	680
El (%)	45	40
IV a –196°C (J)	110	150

Referencias:
[1] Kobe Steel: Reporte Técnico de Soldadura, Vol.49 2009-4.
[2] Kobe Steel: Soldadura de Equipo de Energía Nuclear, 1990.

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