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    Los investigadores utilizan neutrones para estudiar el alivio del estrés inducido por la soldadura en la infraestructura de energía renovable

    Los investigadores graduados de la Escuela de Minas de Colorado (izquierda) Ben Schneiderman y Tim Pickle utilizan neutrones en el reactor de isótopos de alto flujo de ORNL para medir la tensión residual en las soldaduras utilizadas para fabricar tanques de almacenamiento de energía renovable. Crédito:ORNL / Genevieve Martin

    La soldadura es una parte esencial de la fabricación, y la clave para realizar soldaduras sin fisuras se basa en la capacidad de comprender cómo se ensambla la soldadura átomo por átomo.

    Antes de la pandemia de COVID-19, estudiantes de posgrado en el Centro de Soldadura, Investigación de unión y recubrimientos de la Escuela de Minas de Colorado, Tim Pickle y Ben Schneiderman, usó neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) para mejorar esa comprensión. Son parte de un proyecto respaldado por la división SunShot del DOE y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL). El objetivo es investigar el rendimiento de las soldaduras utilizadas para construir grandes tanques de almacenamiento de energía térmica en plantas solares de concentración, instalaciones con vastas redes de espejos que se utilizan para recolectar energía solar. algunos se extienden por varios millones de pies cuadrados.

    "Lo que estamos tratando de hacer es comparar las diferencias en los perfiles de estrés entre dos enfoques de fabricación, con y sin tratamiento térmico posterior a la soldadura, utilizado para crear los tanques de almacenamiento, ", dijo Pickle." También estamos tratando de validar un modelo de elementos finitos que pueda ser utilizado por NREL y los fabricantes potenciales para ayudarlos a determinar los mejores procedimientos de tratamiento térmico de soldadura y post-soldadura para mitigar y encontrar soluciones a los problemas de agrietamiento ".

    Específicamente, el equipo está estudiando el agrietamiento por relajación de esfuerzos (SRC):la susceptibilidad de las soldaduras a agrietarse con el tiempo debido a factores como el estrés interno y las altas temperaturas. La fatiga térmica creada por la tensión alterna entre la habitación y las temperaturas extremadamente altas también puede contribuir al SRC. Cada vez que el metal experimenta un cambio de temperatura durante el proceso de soldadura, se agrega nuevo estrés. Esos cambios duraderos o deformaciones, llamadas tensiones residuales, puede tener un gran impacto en el rendimiento de la soldadura durante el servicio.

    Los tanques de almacenamiento son estructuras grandes de unos 100 pies de ancho por 30 pies de alto. Se utilizan para almacenar material de sales fundidas que se calienta y licua para almacenar la energía capturada por los paneles solares. Cuando se necesita energía, la sal fundida se bombea a un sistema de vapor que hierve agua, que luego hace girar una turbina que genera electricidad.

    Una muestra de acero inoxidable 347 H soldado de 2 pulgadas de espesor. Las placas se unen mediante una técnica de soldadura de múltiples pasadas que involucró 40 pasadas para soldarlas juntas. El instrumento HIDRA permite al equipo estudiar la tensión residual de la soldadura bombardeando la muestra de aproximadamente 90 libras con neutrones, lo que les permite ver cómo se comporta el material a escala atómica. Crédito:ORNL / Genevieve Martin

    Esencialmente, un tanque se hace enrollando grandes placas de acero inoxidable en un cilindro. Luego, los extremos se fusionan utilizando soldaduras de costura, que requieren múltiples capas de metal de soldadura para llenar el espacio entre las juntas de soldadura.

    "Cuando las áreas soldadas de las juntas de la pared pasan de la temperatura ambiente a más de 550 o 600 grados Celsius, desarrollan tensiones alrededor de la soldadura, ", dijo Pickle." Queremos saber si podemos reducir la tensión de tracción mediante el uso de un tratamiento térmico posterior a la soldadura antes de que la soldadura entre en servicio, para extender la vida útil de la soldadura y mitigar el mecanismo de agrietamiento que creemos que está sucediendo. Para hacer eso, necesitamos medir las tensiones residuales ".

    Los neutrones son la herramienta ideal para examinar la tensión residual porque penetran profundamente en los materiales para revelar cambios atómicos en la estructura interna del material. Usando el instrumento HIDRA (anteriormente la Instalación de Mapeo de Estrés Residual de Neutrones) en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo de ORNL, the team performed experiments on 2-inch-thick plates of 347 H stainless steel that were joined using a "40-pass" weld—a large weld consisting of 40 total individual weld beads to fuse the two ends together.

    "Less sophisticated approaches to measuring stress involve drilling holes in the metal and measuring how the material deforms around the hole, as some of the residual stress is relieved by drilling. Sin embargo, that would limit us to only being able to measure residual stresses in limited locations, not to mention that the thickness of the steel in this experiment would have made it even more difficult, " said Schneiderman.

    "To get a complete picture of the stress, we need to look at three principal strain directions from plate edge to weld centerline as a function of plate thickness, which neutrons allow us to measure. The technique has evolved to the point where using neutrons to make this sort of measurement has become more widely available to graduate student researchers like us, which really helps us carry out higher-quality investigations to inform the problem of SRC."


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