Grados de acero para buques de presión y boilers

Introducción a los grados de acero para los buques de presión y los boilers

El acero es el material predominante para la fabricación de vasos de presión y calderas en industrias como el petróleo y el gas, el procesamiento químico, la generación de energía y los productos farmacéuticos. La selección del grado de acero correcto no es meramente una cuestión de costo o disponibilidad; es una decisión de seguridad crítica.

Grados de acero comunes para los buques de presión y boilers

Las tres principales familias son aceros al carbono, aceros de aleación y aceros inoxidables. Dentro de cada familia hay numerosas especificaciones ASTM, ASME y EN que definen propiedades mecánicas mínimas, límites químicos y requisitos de tratamiento térmico.

Carbon Steels

Los aceros de carbono son los caballos de trabajo de la industria de los buques de presión. Ofrecen un excelente equilibrio de fuerza, soldabilidad, formabilidad y economía. La especificación más utilizada es ASTM A516 / ASME SA-516], que cubre las placas de acero de carbono destinadas a servicios de temperatura moderada y baja.

Otras especificaciones importantes de acero al carbono incluyen:

ASTM A515 / ASME SA-515:] Para un servicio de temperatura superior (hasta 1000°F / 538°C). Tiene un contenido de carbono más alto que A516, lo que puede reducir la soldabilidad y la dureza a temperaturas ambiente. Los grados 60, 65 y 70 son comunes.
ASTM A537 / ASME SA-537:] Un acero al carbono-manganés-silicon para vasos de presión con hervidor de fusión que requieren mayor fuerza y mayor resistencia al muñón. Clases 1, 2, y 3 ofrecen una mayor fuerza después del tratamiento térmico.
EN 10028-2 / P265GH: Un equivalente europeo utilizado para calderas y vasos de presión, con buena soldabilidad y fuerza de risura a temperaturas moderadas.

Las aplicaciones para aceros de carbono incluyen receptores de aire, baterías de vapor, depósitos de agua caliente y almacenamiento químico de baja presión. Sin embargo, su resistencia a la corrosión es limitada. Son susceptibles a la corrosión atmosférica, grieta inducida por hidrógeno (HIC) en entornos H2S húmedos, y oxidación por encima de aproximadamente 1000°F (538°C).

Aceros de aleación

Los aceros de aleación incorporan elementos como cromo, molibdeno, níquel, vanadio y borón para mejorar la fuerza, la resistencia a los estribos, y la resistencia a la corrosión. La familia más significativa de aceros de aleación para los vasos de presión es la serie cromo-molybdenum (Cr-Mo).

ASTM A387 / ASME SA-387] cubre placas de acero de baja aleación para vasos de presión en el servicio de temperatura elevado.

Grado 2 (1Cr-0.5Mo): Un cromo de 1%, acero molibdeno de 0,5% adecuado para el servicio de hasta 1000°F (538°C). Ofrece una mayor resistencia a la oxidación y resistencia a la protuberancia sobre los aceros de carbono lisos.
Grado 11 (1.25Cr-0.5Mo): Similar al Grado 2 pero con cromo ligeramente superior. Se utiliza para el servicio de hidrógeno y componentes que requieren mayor fuerza a temperaturas elevadas.
Grado 22 (2.25Cr-1Mo): El grado Cr-Mo más utilizado para entornos de alta temperatura y de hidrógeno (por ejemplo, hidrocrackers, hidrodesulfurizadores). resiste el ataque de hidrógeno de acuerdo con curvas Nelson hasta unos 900°F (482°C).
Grado 91 (9Cr-1Mo-V): Un acero modificado de 9 cromo, 1 molibdeno con adiciones de vanadio y niobio. Proporciona una resistencia de escacielos excepcional a temperaturas de hasta 1100 °F (593°C) y se utiliza en plantas de energía de combustibles fósiles avanzados y reactores petroquímicos.

Otros aceros notables de aleación incluyen:

ASTM A203 / SA-203: Aceros de níquel (2,25%, 3,5%, 5%, 9% Ni) para servicio criogénico. El acero de níquel es estándar para tanques de GNL.
ASTM A517 / SA-517: Aceros de aleación templados y apagados de alta resistencia (por ejemplo, Grade B, F, H, P) con resistencias mínimas de tracción de hasta 115 ksi. Se utiliza en vasos de alta presión de paredes gruesas.
ASTM A533 / SA-533: Manganese-molybdenum y manganeso-molybdenum-nickel placas de acero para buques nucleares apagados y templados.

Los aceros de aleación generalmente requieren un control más cuidadoso de la soldadura precalenta y PWHT para evitar la fractura inducida por hidrógeno y para lograr las propiedades mecánicas requeridas en la zona afectada por el calor.

Acero inoxidable

Los aceros inoxidables se seleccionan cuando la resistencia a la corrosión, la resistencia a la oxidación o la dureza criogénica es primordial. Contienen al menos un 10,5% de cromo, que forma una capa de óxido pasivo. Para los vasos de presión, los tipos más comunes son los aceros austríticos, fríticos y dúplex.

Acero inoxidable austrítico (300 series):

Tipo 304 (S30400): El más utilizado. Contiene 18-20% Cr y 8-10,5% Ni. Excelente resistencia a la corrosión en ambientes leves, buena formabilidad y soldabilidad. Las aplicaciones incluyen el procesamiento de alimentos, lácteos y vasos farmacéuticos.
Tipo 304L (S30403):] Versión baja en carbono que minimiza la sensibilidad y la corrosión intergranular después de la soldadura.
Tipo 316 (S31600): Contiene 16-18% Cr, 10-14% Ni y 2-3% Mo. La adición de molibdeno mejora enormemente la resistencia a la corrosión de los pitting y los crevices en entornos de cloruro. Se utiliza en plantas de procesamiento químico, marina y desalinización.
Tipo 316L (S31603):] variante de bajo carbono. También disponible como 316LN con adición de nitrógeno para mayor fuerza.
Tipo 321 (S32100) y 347 (S34700):] Grados estabilizados con titanio (321) o niobio (347) para prevenir la sensibilización. Se utiliza para el servicio de alta temperatura (hasta 1500 °F / 816 °C) donde se necesita resistencia a los escombros y la oxidación, como el equipo de gas de escape.

Aceros Inoxidables: Estos son cromo (10.5-30%) con níquel bajo. Tienen resistencia moderada a la corrosión y son susceptibles a embrittlement a altas temperaturas y en la zona afectada por el calor. Los grados comunes incluyen 430 (S43000) y 444 (S44400).

Acero inoxidable Duplex: Una microestructura de dos fases de austenita y ferrite proporciona alta resistencia y excelente resistencia al grieta de corrosión de estrés (SCC) en entornos de cloruro. Los grados como 2205 (S32205/S31803) y 2507 (S32750) se utilizan en secciones químicas agresivas, aceite y doble rendimiento de la pared offshore.

Los aceros inoxidables para los vasos de presión están cubiertos por especificaciones como ASTM A240 / ASME SA-240 (placas), ASTM A312 (pipa sin sal), y ASTM A213 (bombas de boiler). La sección II de ASME BPVC Parte A enumera los valores de tensión permitidos para cada grado a diversas temperaturas.

Factores que influencian la selección de grado de acero

Elegir el grado de acero óptimo para un recipiente de presión o caldera requiere una evaluación sistemática del diseño, funcionamiento y las limitaciones económicas. Los siguientes factores son los más críticos:

Temperatura de funcionamiento

La temperatura regula las propiedades mecánicas del material, el comportamiento de los estratos y la resistencia a la oxidación. Los aceros al carbono pierden fuerza por encima de 800 °F (427 °C) y comienzan a grafitificar por encima de 900 °F (482 °C). Los aceros aleación son necesarios para mayores temperaturas. Para el servicio criogénico (bajo -20 °C), los espesores de carbono de baja temperatura (por ejemplo, AMT de la prueba obligatoria de NIVEL)

Condiciones de presión

Las presiones de diseño más altas requieren paredes más gruesas. El espesor requerido se calcula a partir del estrés de insecticida permitido del material a la temperatura de diseño, por ASME Sección VIII División 1 o 2. Grados de mayor resistencia (por ejemplo, A517, aceros duplex o apagados y templados) pueden reducir el espesor de la pared, ahorrando peso y costo. Sin embargo, la complejidad de fabricación y la soldabilidad deben ser consideradas.

Corrosion Environment

La corrosión puede ser uniforme, desdichado, grieta, galvánica o grieta de corrosión de estrés (SCC). Para el servicio amargo (H2S húmedo), NACE MR0175 / ISO 15156 impone límites de dureza estrictos y requiere materiales resistentes al estrés de sulfuro (SSC).

Fabricación y Tratamiento de Calor

La soldabilidad es primordial. Los equivalentes de carbono (CE o CET) se calculan para determinar los requisitos de tratamiento térmico precalentado y post-aliento (PWHT). Los valores altos de CE aumentan el riesgo de grieta de hidrógeno. PWHT es obligatorio para secciones de acero al carbono más gruesas y para todos los aceros Cr-Mo para aliviar tensiones residuales y mejorar la dureza.

Costo y disponibilidad

Los aceros de carbono son los más económicos. Los aceros de aleación y especialmente los aceros inoxidables son más caros por libra, pero su resistencia a la corrosión o resistencia mayor puede permitir paredes más finas y una vida útil más larga, compensando los costos iniciales. Los tiempos de plomo y la disponibilidad de grados especializados (por ejemplo, 9% Ni, dúplex o aleaciones exóticas) también deben ser factorizados en la planificación de proyectos.

Técnicas de tratamiento y fabricación de calor

Las propiedades mecánicas de los aceros de los buques de presión dependen en gran medida del tratamiento térmico. Las operaciones más comunes son la normalización, el enfriamiento y el templado (Q PulT), y la recuperación del estrés (PWHT).

]Normalización:] Calefacción a unos 1650-1750°F (900-955°C) para aceros de carbono, seguido de refrigeración de aire. Refines estructura de grano, mejora la resistencia y asegura propiedades uniformes. Típico para placas A516 y A515.
Presentación y Temporización (Q ØT): Calefacción a temperatura austenitante, enfriamiento rápido (agua o aceite), luego recalentar a temperatura templada (normalmente 1100-1300 °F / 593-704 °C). Produce alta resistencia con buena resistencia. Se utiliza para A517, A537 Clase 2/3, y muchos grados Cr-Mo.
Tratamiento de calor de alta resistencia (PWHT): Calentamiento controlado de un montaje soldado a una temperatura subcrítica (típicamente 1100-1350 °F / 593-732 °C) para aliviar las tensiones residuales, templar la zona afectada por el calor y reducir la dureza. PWHT es obligatorio por ASME para muchos materiales por encima de un cierto espesor y para todos los C.

Los métodos de fabricación incluyen laminado, formando, soldadura (SAW, SMAW, GTAW, GMAW), y el mecanizado. Los procedimientos de soldadura deben ser calificados por ASME Sección IX. Para aceros de alta aleación y acero inoxidable, precauciones especiales contra la contaminación, control de insumos térmicos y límites de temperatura de interpaso son esenciales para evitar la degradación metalúrgica (por ejemplo, fase de sigma en dúplex, sens).

Pruebas y garantía de calidad

El acero utilizado en los vasos de presión debe someterse a pruebas rigurosas para verificar la conformidad con la especificación y la aptitud para el servicio.

Testing de tensil: Los determinadores producen fuerza, fuerza de tracción y alargamiento. Realizado en cada calor del material (prueba cupones de la placa o soldaduras representativas).
Pruebas de impacto de caries V-Notch:] Se requiere para materiales a temperatura de metal de diseño mínimo (MDMT) por debajo de ciertos umbrales, especialmente para secciones más gruesas y aceros al carbono. La energía absorbida (ft-lbf o J) debe cumplir valores promedio mínimos por ASME Sección VIII Div. 1, UCS-66/68.
Pruebas de la cordura: Brinell, Rockwell o Vickers. A menudo requerido para el servicio agrio (NACE MR0175) para garantizar dureza ≤ HRC 22 para aceros al carbono.
Prueba de fin: Para la calificación de procedimiento de soldadura para comprobar la ductilidad y la solidez.
Exámen no destructivo (NDE): Radiografía (RT), ultrasónica (UT), partículas magnéticas (MT), penetrantes líquidos (PT) e inspección visual. ASME requiere RT o UT sobre todas las soldaduras de nalgas de penetración completa en los vasos de presión, con criterios de aceptación en la sección VIII.
Pruebas de Hidrostáticas: Prueba de presión final del vaso completado a 1.3 a 1,5 veces la presión de diseño (dependiendo del código) para confirmar la fuerza y la estanqueidad de fugas.

Normas y certificación

El estándar más influyente en todo el mundo es el AsME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC). Sección II (Materials) enumera las especificaciones de materiales permisibles y sus tensiones permitibles. Materiales fabricados a especificaciones ASME (SA- prefijos) llevan un certificado de cumplimiento ASME. El fabricante debe tener un código ASME (U, U, U2, S, etc.

En Europa, la Directiva del equipo de presión (PED) 2014/68/EU] y la norma armonizada ]EN 13445 gobiernan el diseño y los materiales. Los materiales deben ser de normas europeas aprobadas (según la serie 10028) o tienen aprobación europea para los materiales (EAM).

Para el servicio agrio, NACE Standard MR0175 / ISO 15156] es la guía definitiva para seleccionar materiales resistentes a la grieta de estrés azufre. Limita la dureza y requiere tratamientos de calor específicos para el carbono, la aleación y los aceros inoxidables.

Otras normas pertinentes son ASTM International (especificaciones materiales), API 579 / ASME FFS-1] (fitness-for-service), y ISO 3834 (requisitos de calidad para soldadura).

La certificación garantiza trazabilidad de la instalación del molino a la final. Cada placa o tubo debe ser marcado con el número de calor, especificación, grado y grosor. Se requiere un informe de prueba de material (MTR) que certifique todas las pruebas químicas y mecánicas.

Mecanismos de falla comunes y su mitigación

Comprender los modos de fallo potenciales ayuda a seleccionar las salvaguardias adecuadas de grado de acero y diseño.

Crep (Stress Rupture):] Deformación dependiente del tiempo a alta temperatura. Dirigida mediante el uso de aceros Cr-Mo (Grados 11, 22, 91) con la fuerza de ruptura adecuada de diseño de la rama de cultivo por ASME Sección II Parte D.
Fatigue:] Utilizado por presión cíclica o tensiones térmicas. Puede ser mitigado por selección de materiales (alta resistencia y resistencia a la fatiga), geometrías lisas y ECM para detectar grietas iniciales.
Fracture de hervidor: Insuficiencia catastrófica a baja temperatura. Impedida por especificar materiales probados de impacto (Charpy) y evitar secciones gruesas con baja resistencia. Los materiales deben tener una temperatura de transición adecuada debajo del MDMT.
Corrosión bajo aislamiento (CUI): Ataque por la humedad atrapada bajo aislamiento en superficies de acero al carbono. La mitigación incluye el uso de acero inoxidable o la aplicación de revestimientos protectores y selladores.
] Daños por Hidrogen: Incluye embrittlement de hidrógeno, cracking inducido por hidrógeno (HIC) y cracking por vía estera. Occurs in sour (H2S) environments. Uso de materiales compatibles con NACE, dureza controlada y inhibición de la corrosión es esencial.
]Crack de corrosión de tensión (SCC): Para aceros inoxidables austríticos en cloruros, o para aceros de carbono en soluciones causticas o de nitrato. Selección de aleaciones dúplex o níquel, o control cuidadoso de los niveles de estrés y temperatura, puede prevenir SCC.

Tendencias futuras

La industria de los buques de presión sigue evolucionando con demandas de mayor eficiencia, mayor vida y menor emisión.

Aceros avanzados de alta resistencia: Nuevos grados apagados y templados con resistencias de rendimiento superiores a 100 ksi (por ejemplo, ASTM A1002 / A1012) permiten reactores de iluminación para almacenamiento y transporte de hidrógeno.
9% Acero de níquel e invar: Para la contención de GNL, el 9% Ni de acero (ASTM A353/A553) sigue siendo estándar, pero nuevas aleaciones criogénicas como Invar (36% Ni) se están considerando para grandes tanques de membrana debido a su baja expansión térmica.
Aceros Duplex y Super Duplex: Cada vez más uso en los sectores extraterritoriales y químicos debido a la alta resistencia y resistencia a la SCC. Los grados duplex Lean (por ejemplo, 2101) ofrecen ventajas de coste.
Manufactura y revestimientos adicionales: El revestimiento de la deposición y explosión de metal láser permite aplicar capas resistentes a la corrosión sobre acero al carbono más barato, reduciendo el costo general al mismo tiempo que mantiene el rendimiento.
] Gestión Digital de Materiales: Bloqueo y gemelos digitales para la trazabilidad de MTR y registros de tratamiento térmico mejoran la seguridad de calidad y el cumplimiento de las normas.

Conclusión

El resultado de la correcta calidad de acero para buques de presión y calderas es una decisión de ingeniería multifacética que equilibra la seguridad, el rendimiento, la tesorería y el costo. Los aceros de carbono como A516 Grade 70 sirven bien para condiciones moderadas, mientras que las aleaciones de acero y acero inoxidable Cr-Mo manejan temperaturas extremas, presiones y ambientes corrosivos.