Evaluación del comportamiento ante fenómenos de erosión, corrosión y cavitación de un acero inoxidable UNS S42000 y un bronce UNS C52400 para su potencial aplicación en álabes de turbinas hidrocinéticas

Abstract

RESUMEN : Colombia posee una gran riqueza hídrica propicia para la producción de energía eléctrica, y con el avance ingenieril y tecnológico se están implementando nuevas tecnologías de energías alternativas como son las turbinas hidrocinéticas. En la actualidad, su implementación es novedosa y se ha avanzado en su diseño y desarrollo para ser aplicadas en zonas no interconectadas (ZNI). En estas zonas la infraestructura para el suministro de energía eléctrica es precaria y se ha convertido en objeto de estudio y desarrollo para mejorar la calidad de vida de estas poblaciones. Por esta razón, en el marco del proyecto SENECA 60611 “Generación de energía eléctrica a pequeña escala mediante turbinas hidráulicas e hidrocinéticas”se planteó en este trabajo de investigación evaluar el comportamiento de un acero inoxidable UNS S42000 y un bronce UNS C52400 refinado con Zr ante fenómenos de erosión, cavitación y corrosión para su potencial aplicación en la fabricación de los álabes de turbinas hidrocinéticas de eje vertical. Por esta razón, fue necesario establecer las condiciones de procesamiento para los materiales mencionados haciendo uso de los diseños de perfil hidrodinámico propuestos en el proyecto SENECA 60611 y optimizando las condiciones de fabricación para obtener resultados confiables. Esto se llevó a cabo haciendo uso de predicción de defectos por medio de simulación de fundición utilizando el programa SolidCast. Se obtuvieron parámetros como geometrías, temperaturas, tiempo de vaciado y comportamiento del metal fundido dentro de la cavidad del molde adecuados para obtener piezas libres de defectos, además de ser útil en la ejecución del prototipado 3D de los modelos usados en el moldeo de las piezas de interés. A los cuerpos de prueba obtenidos se les realizó medición de dureza y rugosidad, posteriormente se llevaron a cabo ensayos de erosión y cavitación durante 18 horas en agua potable con pH=10 y pH=4 a 1250 RPM y en el caso de los ensayos de erosión se usó arena de sílice con tamaño de partícula en el rango de 0,5 a 2 mm haciendo uso de un RDA (aparato de disco rotativo), además se realizaron ensayos de corrosión en un potenciostato a pH=10, PH=4 y una solución de NaCl al 3,5% usada como referencia. Se encontró que el acero inoxidable presenta valores promedio de MDE a pH=10 más bajos (55% en erosión y 35% en cavitación) respecto al bronce, caso contrario para un pH=4 con valores mal altos (24% en erosión y 64% en cavitación) respecto al bronce. El comportamiento fue similar para la velocidad de corrosión donde a pH=10 y pH=4 su valor fue de 86% y 64% más bajo que para el bronce respectivamente, al igual que con los valores de velocidad de penetración donde a pH=10 y pH=4 su valor fue de 85% y 61% más bajo que para el bronce respectivamente. También se analizó por microscopia óptica la microestructura presentada por dichas aleaciones y por microscopia electrónica de barrido el grado de deterioro sufrido por los cuerpos de prueba, donde se presentó un mayor daño sufrido debido a la erosión por sedimentos (arena de sílice) donde no se encontraron evidencias claras de daño por cavitación. Finalmente, en base a los resultados obtenidos se recomendó que según las características de pH del recurso hídrico se elija el acero inoxidable UNS S42000 para medios básicos o el bronce UNS C52400 refinado para medios ácidos como el material para la fabricación de los de álabes de turbinas hidrocinéticas de eje vertical.

ABSTRACT : Colombia has a great wealth of water that is propitious for the production of electricity, and with engineering and technological progress, new alternative energy technologies such as hydrokinetic turbines are being implemented. Currently, their implementation is novel and progress has been made in their design and development to be applied in non-interconnected zones (ZNI). In these areas, the infrastructure for the supply of electricity is precarious and has become the object of study and development to improve the quality of life of these populations. For this reason, within the framework of the SENECA 60611 project "Small-scale electric power generation by means of hydraulic and hydrokinetic turbines", this research work was proposed to evaluate the behavior of a stainless steel UNS S42000 and a bronze UNS C52400 refined with Zr against erosion, cavitation and corrosion phenomena for its potential application in the manufacture of vertical axis hydrokinetic turbine blades. For this reason, it was necessary to establish the processing conditions for the mentioned materials making use of the hydrodynamic profile designs proposed in the SENECA 60611 project and optimizing the manufacturing conditions to obtain reliable results. This was carried out making use of defect prediction by means of casting simulation using the SolidCast program. Parameters such as geometries, temperatures, casting time and behavior of the molten metal inside the mold cavity adequate to obtain defect-free parts were obtained, besides being useful in the execution of 3D prototyping of the models used in the molding of the parts of interest. The test bodies obtained were measured for hardness and roughness, then erosion and cavitation tests were carried out for 18 hours in drinking water with pH=10 and pH=4 at 1250 RPM and in the case of erosion tests, silica sand was used with particle size in the range of 0, 5 to 2 mm using a RDA (rotating disk apparatus), in addition, corrosion tests were carried out in a potentiostat at pH=10, PH=4 and a 3.5% NaCl solution used as reference. It was found that stainless steel presents lower average MDE values at pH=10 (55% in erosion and 35% in cavitation) with respect to bronze, the opposite case for pH=4 with poorly high values (24% in erosion and 64% in cavitation) with respect to bronze. The behavior was similar for the corrosion rate where at pH=10 and pH=4 its value was 86% and 64% lower than for bronze respectively, as well as with the penetration rate values where at pH=10 and pH=4 its value was 85% and 61% lower than for bronze respectively. The microstructure presented by these alloys was also analyzed by optical microscopy and by scanning electron microscopy the degree of deterioration suffered by the test bodies, where a greater damage suffered due to erosion by sediments (silica sand) was presented, where no clear evidence of damage by cavitation was found. Finally, based on the results obtained, it was recommended that according to the pH characteristics of the water resource, UNS S42000 stainless steel for basic media or refined UNS C52400 bronze for acid media be chosen as the material for the manufacture of vertical axis hydrokinetic turbine blades.