Abordar las fallas de soldadura en tanques de almacenamiento de energía térmica

Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), la energía solar concentrada (CSP) tiene el potencial de abastecer más del 11 % de la demanda mundial de electricidad para 2050, siempre que cuente con el apoyo gubernamental suficiente. Sin embargo, para alcanzar la paridad con la generación de energía a partir de combustibles fósiles, la CSP necesita capacidad de gestión, una característica que se posibilita mediante soluciones TES integradas.

En las aplicaciones de CSP, el almacenamiento de energía térmica suele implicar enormes tanques que contienen miles de toneladas de sales fundidas, cuya temperatura oscila entre 300 °C y 600 °C. Si bien las sales fundidas son teóricamente capaces de almacenarse a largo plazo con una pérdida de calor mínima (aproximadamente un grado centígrado al día), se emplean principalmente para la programación horaria diaria, lo que permite generar calor durante el día para cubrir la demanda máxima nocturna.

Desafíos para superar el estrés con 347H

Las plantas de CSP han preferido tradicionalmente el grado 347H para la construcción de tanques de sales fundidas calientes debido a su superior resistencia a la corrosión y alta resistencia mecánica a temperaturas elevadas, en comparación con otros grados de acero inoxidable. Sin embargo, se han observado problemas significativos relacionados con el agrietamiento por relajación de tensiones intergranular (SRC) en estos tanques, especialmente a temperaturas de aproximadamente 565 °C en soldaduras de 347H que operan durante un período relativamente corto.

La SRC suele surgir de tensiones residuales inducidas por la soldadura y de microestructuras de aleación susceptibles que operan continuamente a temperaturas de servicio elevadas (superiores a aproximadamente 550 °C). En el acero 347H, se produce la difusión de los elementos de aleación a los límites de grano y la consiguiente formación de precipitados de carburo de niobio. La deformación acumulada en estas regiones puede provocar agrietamiento durante la relajación localizada de tensiones.

Si bien los ingenieros podrían considerar el tratamiento térmico post-soldadura (PWHT) para aliviar las tensiones residuales y mitigar el agrietamiento por relajación de tensiones, su implementación en campo puede ser compleja, especialmente en la construcción de tanques de paredes gruesas. Si se ejecuta incorrectamente, podría incluso causar SRC u otros problemas, lo que reduciría su eficacia general. El problema no se limita al acero 347H; varias aleaciones a base de níquel y aceros inoxidables pueden ser susceptibles, como lo demuestran las experiencias de fallo con el acero 316H en los reactores avanzados refrigerados por gas de la industria nuclear.

Therma 4910 como posible solución

En respuesta a estas inquietudes, los actores de la industria han expresado su interés en aleaciones alternativas y rellenos de soldadura que demuestren una mejor resistencia a la corrosión por sales fundidas (SRC), junto con propiedades termomecánicas comparables, como la fluencia y la fatiga. Therma 4910 (EN 1.4910), también conocido como 316LNB, es una de estas aleaciones prometedoras. Se trata de una variante baja en carbono del 316, reforzada con nitrógeno y boro, que demuestra una excepcional resistencia a la fluencia y una resistencia igualmente robusta a la corrosión por sales fundidas en comparación con el 347H. Además, la combinación de Therma 4910 con el relleno 16-8-2 (ER16.8.2), conocido por mejorar la resistencia a la SRC y el rendimiento termomecánico a alta temperatura, en comparación con los rellenos de soldadura similares que se utilizan habitualmente con las soldaduras de acero inoxidable 347H.

Pero Therma 4910 no es un material completamente nuevo. Se desarrolló inicialmente a finales del siglo XX como EN 1.4910 y se empleó en centrales eléctricas de carbón europeas durante un período de mejoras de temperatura y presión. Por consiguiente, Therma 4910 proporciona una sólida base histórica de datos de rendimiento de fluencia y resistencia a alta temperatura. Esta aleación se está reintroduciendo ahora para aplicaciones específicas de almacenamiento térmico de CSP.

Evaluación experimental de la resistencia SRC del Therma 4910

Para corroborar aún más el potencial de rendimiento de Therma 4910, se estableció un consorcio académico-industrial entre Outokumpu, Colorado School of Mines (Golden, Colorado), Vast Energy, líder en la industria de CSP, y el socio constructor CYD. El objetivo principal era determinar experimentalmente la resistencia SRC de Therma 4910 en comparación con el 347H.

Dado que no existe una metodología estandarizada para evaluar el SRC, el consorcio empleó procedimientos avanzados de pruebas termomecánicas con el Gleeble 3500, un simulador digital de pruebas térmicas y mecánicas. El simulador puede ejercer hasta 10 toneladas de carga estática en tensión o compresión, y calentar las muestras a velocidades extremadamente rápidas (hasta 10 000 °C/s). Los parámetros de prueba se diseñaron para simular lo más fielmente posible las condiciones metalúrgicas y de tensión que se experimentan en tanques soldados de paredes gruesas, aunque cabe destacar que ninguna metodología de laboratorio para pruebas de SRC puede replicar completamente las condiciones reales.

Los experimentos evaluaron específicamente la susceptibilidad del SRC dentro de la zona afectada por el calor (ZAC) y la zona de fusión de la soldadura (ZF) utilizando alambre de relleno 16-8-2. Los resultados indican una clara ventaja para Therma 4910. En un régimen de prueba Gleeble de 22 horas a temperaturas que oscilan entre 600 °C y 800 °C, ni la ZAC de Therma 4910 (probada bajo tensiones reales iniciales de aproximadamente 650 MegaPascal [MPa], o 0,174 deformación) ni la zona de fusión con relleno 16-8-2 (probada en condiciones de límite elástico de 460 MPa) desarrollaron grietas detectables. Por el contrario, las pruebas correspondientes en la ZAC 347H y muestras de soldadura utilizando el mismo relleno produjeron grietas en cuestión de horas a la temperatura de prueba elevada. Se están realizando más investigaciones para completar escenarios de prueba extensos durante períodos más prolongados a 600 °C y para investigar las condiciones microestructurales asociadas con el desarrollo de fracturas.

Conclusiones preliminares e implicaciones más amplias

Los hallazgos iniciales respaldan el potencial de Therma 4910 como alternativa resistente al SRC al acero inoxidable 347H en aplicaciones de tanques de almacenamiento de sales fundidas. Si bien sus elementos de aleación ligeramente superiores incrementan los costos de fabricación en comparación con el 347H, esto se compensa con la mayor resistencia a altas temperaturas de Therma 4910, y el gasto adicional es mínimo en comparación con los riesgos financieros y de reputación asociados con fallas catastróficas de tanques inducidas por SRC.

Superar los desafíos relacionados con los materiales se vuelve cada vez más crucial a medida que se expande el papel de la CSP como proveedor de calor en la generación de energía y los procesos industriales. Actualmente, el almacenamiento de energía térmica permite retrasar la generación de energía a temperaturas de hasta 600 °C; sin embargo, varias iniciativas de investigación están estudiando el funcionamiento a temperaturas aún más altas para mejorar la eficiencia de la CSP y reducir los costos operativos. En estas condiciones exigentes, Therma 4910 podría convertirse en una solución invaluable gracias a su excepcional resistencia a la fluencia a alta temperatura y su superior resistencia al agrietamiento por relajación de tensiones.

— Andy Backhouse es el director técnico principal de Outokumpu. Para más información, visite: Therma 4910 .