Mejorando la consistencia de la resistencia al rendimiento de los cuerpos de válvula forjados API ASTM A182 F316L
El examen y la experimentación en profundidad desde la relación de forjado hasta la temperatura de temple.
Con la principal capacidad de servir a los clientes de petróleo y gas, las piezas metálicas utilizadas en aplicaciones API, la forja es una de las principales capacidades de producción de Teamco para producir piezas metálicas de válvulas de alta resistencia. Podemos forjar piezas metálicas de válvulas de acero al carbono y acero inoxidable para satisfacer las aplicaciones del cliente. Antes de proceder con el mecanizado para lograr los diseños del cliente, primero debemos asegurarnos de que la calidad de la forja cumpla con los estándares internacionales, incluyendo tanto las composiciones químicas como las propiedades físicas. El tratamiento térmico suele ser el procedimiento clave para lograr las características físicas requeridas, como la resistencia a la tracción, la resistencia de rendimiento y la dureza, etc. En algunas situaciones, se requerirá la Prueba de Impacto Charpy con Muesca en V. Tuvimos una experiencia de forjar el cuerpo de la válvula en material ASTM A182 F316L que no cumplió consistentemente con el requisito mínimo de ASTM de 25,000 psi de resistencia al rendimiento después del tratamiento térmico de solución. La composición química cumplía completamente con los requisitos. Nos dimos cuenta de que para este acero inoxidable austenítico, la función del recocido en solución no era básicamente para aumentar la resistencia. Sin embargo, las pruebas mecánicas mostraron repetidamente una resistencia de rendimiento insuficiente, lo que resultó en el rechazo del producto y una reducción en el rendimiento de producción. Se llevó a cabo una investigación metalúrgica exhaustiva para identificar las causas raíz y optimizar todo el proceso de forjado y tratamiento térmico. Finalmente se superó el problema.
| Caso: | Mejorando la consistencia de la resistencia al rendimiento de los cuerpos de válvula forjados API ASTM A182 F316L |
|---|---|
| País del cliente: | EE. UU. |
| Aplicación: | Petróleo y gas, aplicación API |
| Nombre del producto: | Cuerpo de válvula de bola de 0.5” ~ 2” NPT F316L |
| Materiales: | Forjado en caliente |
Requisito del cliente
Uno de nuestros clientes requería cuerpos de válvula de bola forjados fabricados con material ASTM A182 F316L, con una composición química completamente conforme a la especificación aplicable.
Durante la producción, encontramos un problema después del recocido de solución: la resistencia de rendimiento de los cupones de prueba forjados falló repetidamente en cumplir con el requisito mínimo de 25,000 psi en todo el lote, a pesar de que la química del material se confirmó que estaba dentro de las especificaciones.
Problemas y Desafíos Técnicos
El F316L es un material cuyas propiedades mecánicas son altamente sensibles a las condiciones de tratamiento térmico de solución, la uniformidad térmica y el control de enfriamiento posterior a la forja. Inicialmente consideramos que el material podría haber sido afectado por los siguientes factores:
- Sobreablandamiento causado por un tratamiento térmico de solución excesivo
- Calentamiento desigual debido al pequeño tamaño de la pieza o a una disposición inadecuada de carga en el horno
- Retraso excesivo antes del temple, lo que pudo haber permitido el crecimiento de grano
- Control insuficiente del agua de temple, incluyendo temperatura del agua inestable o tiempo de transferencia excesivo
Soluciones de Teamco
Paso 1: Confirmar el Estándar y el Método de Prueba
Primero, confirmamos que el requisito mínimo de resistencia a la fluencia de 25,000 psi era aplicable al material ASTM A182 F316L especificado para este producto.
También verificamos que las muestras de prueba de tracción se tomaron de los bloques de prueba forjados y confirmamos que el problema afectó a todo el lote en lugar de estar limitado a un solo valor atípico.
Paso 2: Revisar los Parámetros de Forja y Tratamiento Térmico
A continuación, revisamos los procesos de forja y tratamiento térmico de solución. Los parámetros clave incluyeron:
- Se confirmó que la relación mínima de forja era de 3:1 para apoyar una efectiva refinación de grano.
- Se confirmó que la temperatura del tratamiento térmico de solución era de al menos 1,040°C.
- El tiempo de transferencia del horno al tanque de enfriamiento en agua debía minimizarse.
- La temperatura del agua de enfriamiento debía permanecer estable y controlada adecuadamente.
- El tiempo de mantenimiento debía controlarse para prevenir un crecimiento excesivo del grano mientras se aseguraba la disolución completa de los carburos.
- La disposición de carga y apilamiento del horno debía proporcionar un calentamiento uniforme en todas las piezas.
Paso 3: Realizar una Prueba de Tratamiento Térmico en Horno de Vacío
Luego realizamos una prueba de comparación utilizando tratamiento térmico en horno convencional y tratamiento térmico en horno de vacío. Las principales ventajas del procesamiento en vacío incluyeron:
- Un entorno de calefacción limpio y libre de oxígeno
- Reducción de la oxidación superficial
- Mejora de la uniformidad térmica en componentes más pequeños
La prueba mostró que el tratamiento térmico en horno de vacío mejoró la estabilidad y consistencia de las propiedades mecánicas. Sin embargo, el aumento en la resistencia al rendimiento fue limitado en lugar de significativo.
Este resultado indicó que el tratamiento térmico en vacío podría mejorar la consistencia del proceso, pero no podría reemplazar la necesidad de una optimización integral del proceso de forjado y tratamiento térmico.
Paso 4: Optimizar aún más el proceso de fabricación
Debido a que la resistencia al rendimiento seguía siendo insuficiente después de los ajustes iniciales, optimizamos aún más el proceso de fabricación hasta lograr resultados satisfactorios. Las mejoras incluyeron:
- Introducción de deformación controlada del tamaño donde se permitiera
- Rediseño de la relación de forjado y el proceso de enfriamiento posterior al forjado
- Reducción del tiempo de transferencia del horno al tanque de temple
- Mejorando el control de la temperatura del agua de enfriamiento
- Optimizando la disposición de carga del horno para asegurar una exposición uniforme al calor para cada componente
- Controlando la temperatura final de forjado para preservar una estructura de grano fino mientras se mantiene una deformación suficiente
- Evaluando proveedores de materiales capaces de proporcionar estructuras de grano más finas y consistentes cuando sea necesario
Resultados y Beneficios para el Cliente
En lugar de modificar solo un parámetro del proceso, Teamco implementó un programa integral de optimización de la fabricación. Al seguir un plan de validación y mejora paso a paso, finalmente logramos la resistencia de rendimiento requerida mientras mejoramos significativamente el rendimiento de producción y la fiabilidad del proceso.
El cliente logró los siguientes resultados:
- Resistencia de rendimiento estable que cumple con el requisito ASTM A182 F316L
- Mejor consistencia en los lotes y reducción de la variación en los resultados de las pruebas
- Mejor control de la calidad del tratamiento térmico para pequeños cuerpos de válvulas forjadas
- Reducción del riesgo de rechazo en aplicaciones de API y petróleo y gas
- Un proceso de producción más robusto sin cambiar la especificación del material original
En resumen, el resultado exitoso se logró no cambiando la química del material, sino mejorando la uniformidad del tratamiento térmico, el control de enfriamiento y la estabilidad del proceso de forjado. Cuando se combinan con parámetros de forjado y tratamiento térmico optimizados, estas mejoras aumentaron significativamente la fiabilidad general del proceso y la consistencia de las propiedades mecánicas.
El cliente reconoció el programa de mejora estructurada de Teamco y la determinación para cumplir con los requisitos finales. En Teamco, cada compromiso con el cliente se trata como una prioridad máxima.