ACEROS Y ALEACIONES Propiedades, aplicaciones y soldabilidad Ing. IFT 1 CONTENIDO 1.- Elementos aleantes y tratamientos térmicos. 1.1.- Elementos aleantes y su influencia en las propiedades de los aceros 1.2.- Corrosión 1.3.- Relevado de esfuerzos 1.4.- Tratamientos térmicos después de soldar 2.- Aceros al carbón y carbono-½ molibdeno. 2.1.- Aceros bajo carbono 2.2.- Aceros medio carbono 2.3.- Aceros carbono-½ molibdeno 3.- Aceros al cromo-molibdeno 3.1.- Aceros ½ cromo-½ molibdeno 3.2.- Aceros AISI 4140 3.3.- Aceros 1 cromo- ½ molibdeno 3.3.- Aceros 1 cromo- ½ molibdeno 3.4.- Aceros 1- ¼ cromo- ½ molibdeno 3.5.- Aceros 2- ¼ cromo- 1 molibdeno 3.6.- Aceros 3 cromo- 1 molibdeno 3.7.- Aceros 5 cromo- ½ molibdeno 4.- Aceros inoxidables 4.1.- ¿Qué son los aceros inoxidables y como se sueldan? 4.2.- Aceros inoxidables al cromo 4.3.- Aceros al cromo, martensíticos 4.3.1.- Aceros 12% cromo, martensíticos, tipos 403 y 410 4.3.2.- Acero 12% cromo, martensítico, tipo 414 4.3.3.- Acero 12% cromo, martensítico, tipo 416 4.3.4.- Acero 12% cromo, martensítico, tipo 420 4.4.- Acero al cromo, ferríticos, parcialmente endurecibles 4.4.1.- Acero 14-18% cromo, ferrítico, parcialmente endurecible, tipo 430 4.4.2.- Acero 14-18% cromo, ferrítico, parcialmente endurecible, tipo 431 4.5.- Aceros al cromo, ferríticos, no endurecibles 4.5.1.- Acero 12% cromo, ferrítico, no endurecible, tipo 405 4.5.2.- Aceros 18-30% cromo, ferríticos, no endurecibles, tipos 442 y 446 4.6.- Aceros inoxidables austeníticos 4.6.1.- Propiedades generales 4.6.2.- Características metalúrgicas 4.7.- Aceros 18 cromo-8 níquel, tipo 304 4.8.- Aceros 18 cromo-8 níquel, bajo carbono, tipo 304 L 4.9.- Aceros 18 cromo-8 níquel Ti, tipo 321 4.10.- Aceros 18 cromo-8 níquel Cb, tipo 347 4.11.- Aceros 18 cromo-8 níquel Mo, tipo 316 4.12.- Aceros 18 cromo-8 níquel Mo-L, tipo 316 L 4.13.- Aceros 25 cromo-12 níquel, tipo 309 4.14.- Aceros 25 cromo-20 níquel, tipo 310 5.- Aleaciones 5.1.- ¿Qué es el HK-40? 5.1.1.- Ejemplo característico 5.1.2.- Recocido en solución del HK-40 5.1.3.- Vida 5.1.4.- ¿Cómo estimar la vida consumida o residual? 5.1.5.- Fallas 5.2.- Aleaciones de níquel-fierro-cromo 5.2.1.- Tratamiento térmico Ing. IFT 2 PROLOGO La tarea de enseñar y difundir conocimientos y experiencias adquiridas a través de los años de ejercicio profesional, debe ser satisfactoria sobre todo, si con su aportación se puede lograr una capacitación tecnológica y práctica de aplicación inmediata, para avanzar y alcanzar las metas que se han fijado para el desarrollo industrial. Es por ello, que el propósito primordial de este libro es dotar de un auxiliar más, no solo de consulta, sino que complete la formación práctica sobre conocimientos y aplicaciones de aceros y aleaciones para trabajar a temperaturas elevadas. El contenido de este libro ha sido desarrollado con apoyo en la experiencia y la aplicación práctica logradas a través de treinta años de ejercicio profesional en Petróleos Mexicanos y en información técnica obtenida de diversas fuentes. Los aceros y aleaciones descritos, son de los más utilizados para operar a temperaturas elevadas en procesos de refinación y petroquímica, alcanzando amplia aplicación en la construcción y mantenimiento de equipo estático en plantas de proceso como calderas, calentadores, tuberías, recipientes a presión, reformadores, intercambiadores de calor, etc. En la descripción de algunos conceptos se procuró una traducción lo más adecuada posible, anotando entre paréntesis los términos en ingles, para conocimiento del lector sobre lo tratado y para evitar que la interpretación técnica tenga desviaciones significativas. Por mencionarse en la descripción de los aceros y aleaciones, y pro la importancia que representa, se inicia este libro con una descripción somera pero sustancial sobre la influencia de los elementos aleantes, de la corrosión, de los tratamientos térmicos y el relevado de esfuerzos, así como de otros conceptos para mejor interpretación de su contenido. Ing. IFT 3 ELEMENTOS ALEANTES CORROSION RELEVADO DE ESFUERZOS TRATAMIENTOS TERMICOS Ing. IFT 4 1.- Elementos aleantes y tratamientos térmicos 1.1.- ELEMENTOS ALEANTES Y SU INFLUENCIA EN LAS PROPIEDADES DE LOS ACEROS Aluminio (Al) • El aluminio es un fuerte desoxidante y se combina con el nitrógeno reduciendo la susceptibilidad de deformación por envejecimiento. • En pequeñas cantidades restringe el crecimiento del grano. • Junto con el nitrógeno forma nitruros de alta dureza. • Mejora la resistencia a la escamación (oxidación) a temperaturas altas. Carbono (C) • El carbono es un elemento aleante que se encuentra presente en todos los aceros hasta en un 2%, pero generalmente de 0.04 a 0.50%, alcanzando amplia influencia sobre ellos. • El carbón puede existir en el acero en forma combinada como carburo de fierro. • Además del carbono, todos los aceros no aleados contienen silicio, manganeso, fósforo y azufre que son introducidos sin ninguna intención durante el proceso de fabricación. • Se obtiene • Un acero aleado con la adición de otros elementos para la obtención de efectos específicos y el incremento intencional de los contenidos de manganeso y silicio. • Conforme aumenta el contenido de carbono, mejoran las propiedades mecánicas de resistencia y dureza, pero las propiedades de elasticidad, forjabilidad, soldabilidad y corte tienden a desmejorar. • El contenido de carbón no influye sustancialmente en la resistencia a la corrosión en agua, ácidos o gases calientes. • En aceros que trabajan a temperaturas altas (850-1100º C), la resistencia a la tensión aumenta significativamente, como ocurre con la consecuente eliminación de las fases ferrita y sigma. • En cantidades de 0.2% o mayores, reduce la ductilidad a temperatura ambiente y elevada debido a la precipitación de carburos. Cobalto (Co) • El cobalto no forma carburos, impide el crecimiento del grano a temperaturas altas; mejora notablemente la resistencia del temple y de tensión en caliente. • Es un elemento aleante común en los aceros de alta velocidad, en los aceros para trabajar en caliente y en materias primas resistentes al calor. • Actúa favorablemente en la formación de grafito e incrementa notablemente el magnetismo residual, la fuerza coercitiva y la conductividad térmica, esto lo vuelve básico para los aceros y las aleaciones con alto grado de magnetismo permanente. Agregado hasta en un 15% en aceros con alto contenido de cromo y níquel, aumenta la dureza y mejora la resistencia al calor por el incremento que proporciona a la temperatura límite superior, permitiéndoles trabajar en condiciones más severas. Cromo (Cr) • El cromo incrementa la dureza, la resistencia y reduce ligeramente la elasticidad. • Mejora la resistencia al calor y a la escamación (oxidación) a temperaturas altas. • Junto con el carbón, forma un carburo de alta resistencia al desgaste. • Conforme aumenta el contenido de cromo, las propiedades de soldabilidad decaen. • Aumenta la resistencia a la tensión del acero de 8 a 10 kg/mm2 por cada punto porcentual de cromo agregado; también incrementa el punto de cedencia pero no a la misma velocidad y la resistencia al impacto se reduce. • Los aceros con alto contenido de cromo son resistentes a la corrosión. • El cromo es soluble en fierro y se utiliza ampliamente para proporcionar resistencia a la corrosión, abrasión y desgaste superficiales. En cantidades de 11.5 a 30% mejora notablemente la resistencia a la oxidación y carburización en altas temperaturas; también es fuerte formador de ferrita, pero un exceso de ésta, reduce la estabilidad metalúrgica por la formación de la fase sigma, Ing. IFT 5 dando por resultado una estructura frágil, aumento de dureza, resistencia a la corrosión reducida y tenacidad muy pobre. Cobre (Cu) • El cobre eleva la resistencia y el punto de cedencia del acero, pero reduce sus propiedades de elasticidad. • Un bajo contenido de cobre en el acero mejora las propiedades de resistencia a la corrosión (herrumbre) cuando se expone a la intemperie. • Es un agente robustecedor de la estructura metalúrgica. Manganeso (Mn) • El manganeso se encuentra presente en todos los aceros en cantidades hasta del 2%. • Es un elemento importante para controlar la escoria en fundiciones. • Mejora las propiedades de resistencia del acero, dañando ligeramente su elasticidad e influye favorablemente sobre las propiedades de soldabilidad y forja. • Incrementa la resistencia a la tensión aproximadamente en 10 kg/mm2 por cada punto porcentual de manganeso agregado dentro de un rango de 1 a 3%. En un rango de 3 a 8%, el incremento de resistencia se eleva más lentamente y con más de 8% empieza a decaer. El punto de cedencia se comporta en forma similar. • Un alto contenido de manganeso en presencia de carbono, incrementa sustancialmente la resistencia al desgaste, aumentando el espesor de la capa endurecida. • El manganeso también contribuye a mejorar la resistencia y la dureza, pero en menor grado que el carbón, siendo muy notoria esta propiedad en los aceros con bajo contenido de carbón. • El manganeso, en cantidades moderadas, tiene poco efecto en las propiedades mecánicas y en la resistencia a la corrosión a temperaturas elevadas. Molibdeno (Mo) • La función principal del molibdeno consiste en aumentar la dureza y tenacidad del acero. • Mejora la resistencia a la tensión, especialmente la resistencia al calor, e influye favorablemente sobre las propiedades de soldabilidad. • Un alto contenido de molibdeno en el acero, dificulta los trabajos de forja. • Normalmente se utiliza en combinación con cromo. • Si se utiliza en combinación con cromo y níquel pueden obtenerse valores altos del punto de cedencia y resistencia a la tensión. • Tiene fuerte tendencia a formar carburos. • El molibdeno e un elemento aleante que se puede escoger para trabajar con aceros de alta velocidad y trabajo en caliente; también con aceros austeníticos resistentes a la corrosión y a altas temperaturas. • Tiende a promover la formación de la fase sigma dentro de ciertos límites composición química, por lo que deberá controlarse su balance químico. Nitrógeno (N) • En cantidades hasta de 0.25% en aceros austeníticos estabiliza la estructura e incrementa la dureza, especialmente el punto de cedencia, así como las propiedades mecánicas a temperaturas altas. • Como formador de austenita promueve la ductilidad de la estructura, eliminando la formación de las fases ferrita y sigma. • Reduce la ductilidad a temperatura ambiente, por lo que debe evitarse trabajar con cargas repetidas o cíclicas. • El nitrógeno permite alcanzar alta dureza superficial a través de la formación de nitruro durante el proceso de nitruración. • En cantidades excesivas produce porosidad en fundiciones, por lo que el nivel de nitrógeno en aleaciones con alto contenido de cromo y níquel fundidas en arena, no debe exceder el 1% del contenido de cromo. Niobio, Columbio, Tantalio (Nb, Cb, Ta) Ing. IFT 6 • Estos elementos aparecen casi siempre juntos y son muy difíciles de separarse, por lo general son aleados juntos y se usan principalmente como estabilizadores. • Evitan la precipitación de carburos entre 500-800º C, siendo unos estabilizadores efectivos contra el ataque corrosivo en zonas desprovistas de cromo, factor muy importante para los aceros al cromoníquel con bajo contenido de carbón (menos de 0.10%), que pudieran ser susceptibles en la zona de soldadura y para determinadas condiciones de trabajo, productos corrosivos, esfuerzos repetidos o cíclicos. • Mejora la resistencia y la dureza a temperaturas elevadas. • Difiere con el titanio como estabilizador por no presentar problemas en la fundición (fundiciones defectuosas, inclusiones de oxido y segregación). • En cantidades mayores al 1%, origina problemas en la soldadura de aceros inoxidables tipo 18% Cr8% Ni con bajo contenido de carbón en espesores de 25 mm (1”) y mayores, por fracturación del material base. Níquel (Ni) • En el campo del acero aleado, el níquel es un elemento adecuado para usarse especialmente en aceros austeníticos, aceros resistentes a la corrosión y a la escamación, así como aceros tratados térmicamente para mejorar su tenacidad. • Incrementa la resistencia del acero, pero menos que el silicio y el manganeso, con reducción muy ligera de elasticidad. • En combinación con cromo proporciona buenas propiedades de resistencia a la corrosión, mejora las propiedades de soldabilidad e incrementa notablemente la resistencia al impacto en aceros estructurales, especialmente a temperaturas criogénicas. • En cantidades de 8 a 60%, y siendo un fuerte formador de austenita, mantiene la estabilidad metalúrgica eliminando las fases ferrita y sigma. • Aumenta la resistencia a la fatiga y a la ductilidad. • Aumenta la resistencia eléctrica y reduce la conductividad térmica. • Mejora la resistencia en atmósferas carburantes y reductoras. • Reduce la resistencia en atmósferas sulfurosas. Fósforo (P) • Generalmente, el fósforo se ha considerado perjudicial al acero, por lo que siempre se ha procurado conservar su contenido en aceros (con alto grado) a un nivel máximo de 0.03 a 0.05%. Azufre (S) • El azufre produce fragilidad, haciendo quebradizo el acero cuando se encuentra en cantidades mayores de 0.04%. • Para proporcionar mejores condiciones de maquinado en algunos aceros, se agrega hasta 0.30% para que las pequeñas inclusiones de sulfuro distribuidas alteren la cohesión metálica y contribuyan a la formación de virutas cortas. Selenio (Se) • Al igual que el azufre, el selenio se utiliza para mejorar las condiciones de maquinabilidad. • En aceros inoxidables reduce la resistencia a la corrosión en menor grado que el azufre. Silicio (Si) • Al igual que el manganeso, se encuentra presente en todos los aceros debido a que los materiales utilizados en la fabricación, lo contienen en una cantidad variable. • En cantidades que alcanzan hasta el 2%, mejora significativamente la resistencia a la escamación (oxidación) a temperaturas altas. • Proporciona buena resistencia a la carburización y aumenta la temperatura crítica en los tratamientos térmicos. • Afecta ligeramente la elasticidad, mientras que incrementa la resistencia a la tensión, aproximadamente en 10 kg/mm2 por cada punto porcentual de silicio agregado. También eleva el punto de cedencia en la misma proporción. Ing. IFT 7 • Los aceros con alto contenido de silicio tienen una estructura granular áspera, pueden resistir el ataque químico, pero no pueden ser forjados. • Como formador de ferrita, el silicio promueve la precipitación de la fase sigma y por tanto la fragilización. • El alto contenido de silicio afecta seriamente las propiedades de soldabilidad en aceros resistentes al calor con porcentajes altos de cromo y níquel. Para evitar esto, la relación silicio-carbón no deberá ser mayos que dos. Titanio (Ti) • El titanio es un elemento aleante utilizado principalmente en aceros inoxidables para la estabilización contra la corrosión intergranular. Es fuerte formador de carburos, además de tener propiedades de refinamiento de grano. Vanadio (V) • El efecto principal del vanadio consiste en refinar el grano y mejorar las propiedades mecánicas. • En pequeñas cantidades mejora la dureza en caliente y reduce el crecimiento del grano. • El vanadio actúa especial y favorablemente en aceros estructurales y para herramienta. • Incrementa y mejora las propiedades de corte en los aceros de alta velocidad. • Mejora la resistencia a la tensión y al punto de cedencia, especialmente las propiedades de dureza en caliente. • Es fuerte formador de carburos. • En combinación con cromo, se prefiere para aceros estructurales y resistentes al calor. En combinación con tungsteno, para aceros de alta velocidad y trabajo en caliente. Tungsteno (W, Tu) • El tungsteno mejor las propiedades de resistencia. • Es un elemento aleante para aceros de alta velocidad y tratados térmicamente. • Aumenta sustancialmente la vida de los filos cortantes y la resistencia al calor. • Los valores de resistencia a la tensión y el punto de cedencia se incrementan aproximadamente 4kg/mm2 por cada punto porcentual de tungsteno agregado • Es fuerte formador de carburos. Ing. IFT 8 EFECTO DE LOS ELEMENTOS ALEANTES EN LAS PROPIEDADES DE LOS ACEROS Elemento Aleante níquel en aceros perlíticos níquel en aceros austeníticos Aluminio Tungsteno Vanadio Cobalto Molibdeno Cobre Azufre Fósforo ⇑ Incremento ⇓ Punto de cedencia Alargamiento Reducción de área Valor de impacto Elasticidad Estabilidad a alta temperatura Velocidad de enfriamiento Formación de carburos Resistencia al desgaste Forjabilidad maquinabilidad Escamación (oxidación) a alta temperatura Resistencia a la corrosión Manganeso en aceros perlíticos Manganeso en aceros austeníticos Cromo Resistencia Silicio Dureza Propiedades mecánicas ⇑ ⇑ ⇑⇑ ⇓ ∼ ⇓ ⇑⇑⇑ ⇑ ⇓ ⇓ ⇓⇓⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ― ⇑ ⇑ ⇑ ∼ ∼ ∼ ⇑ ∼ ⇓ ∼ ⇓⇓ ⇑ ⇓ ∼ ― ⇓⇓⇓ ⇑ ⇓ ⇑⇑⇑ ∼ ― ― ― ⇓⇓ ― ― ⇓⇓⇓ ⇓⇓⇓ ⇓⇓ ― ⇑⇑ ⇑⇑ ⇑⇑ ⇓ ⇓ ⇓ ⇑ ⇑ ⇓⇓⇓ ⇑⇑ ⇑ ⇓ ― ⇓⇓⇓ ⇑⇑⇑ ⇑ ⇑ ⇑ ∼ ∼ ∼ ― ⇑ ⇓⇓ ― ⇓⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ― ⇓⇓ ⇑ ⇓ ⇑⇑⇑ ⇑⇑ ⇑⇑⇑ ― ⇑⇑⇑ ⇓⇓ ― ― ⇓⇓⇓ ⇓⇓⇓ ⇓⇓ ⇑⇑ ― ― ― ― ⇓ ⇓ ― ― ― ― ― ⇓⇓ ― ⇓⇓ ― ⇑ ⇑ ⇑ ⇓ ⇓ ∼ ― ⇑⇑⇑ ⇓⇓ ⇑⇑ ⇑⇑⇑ ⇓⇓ ⇓⇓ ⇓⇓ ― ⇑ ⇑ ⇑ ∼ ∼ ⇑ ⇑ ⇑⇑ ⇓⇓ ⇑⇑⇑⇑ ⇑⇑ ⇑ ― ⇓ ⇑ ⇑ ⇑ ⇑ ⇓ ⇓ ⇓ ― ⇑⇑ ⇑⇑ ― ⇑⇑⇑ ⇓ ∼ ⇓ ― ⇑ ⇑ ⇑ ⇓ ⇓ ⇑ ― ⇑⇑ ⇓⇓ ⇑⇑⇑ ⇑⇑ ⇓ ⇓ ⇑⇑ ― ⇑ ⇑ ⇑⇑ ∼ ∼ ∼ ― ⇑ ― ― ― ⇓⇓⇓ ∼ ∼ ⇑ ― ― ― ⇓ ⇓ ⇓ ― ― ― ― ― ⇓⇓⇓ ⇑⇑⇑ ― ⇓ ⇑ ⇑ ⇑ ⇓ ⇓ ⇓⇓⇓ ― ― ― ― ― ⇓ ⇑⇑ ― ― Constante ― Reducción ∼ Sin características o desconocido ( varias flechas el efecto es más intenso) 1.2 CORRROSION La corrosión de los metales se presenta en diferentes formas, siendo en la mayoría de los casos de naturaleza electroquímica. Por lo general todos los materiales metálicos utilizados en la industria tiene suficiente heterogeneidad punto por punto para producir diminutas superficies aniónicas o menos nobles y superficies catódicas o más nobles. Como resultado de la reacción electroquímica entre estas superficies, la corrosión es acelerada en las aniónicas (menos nobles) y retardada o prevenida en las catiónicas (más nobles). La heterogeneidad del metal y la corrosión electroquímica resultante, producen un cambio constante de zonas aniónicas y catiónicas en las superficies expuestas, en tal forma que la corrosión total aparece uniforme. La velocidad de corrosión se mide por pérdida de peso en gramos por metro cuadrado por año, o en milímetros por año cuando se refiere a disminución de espesor. Los aceros inoxidables y otras aleaciones resistentes a la corrosión deben su resistencia a la formación de una pequeña capa de óxido sobre la superficie; el aire forma esta película con el tiempo, pero puede ser acelerada utilizando medios oxidantes como ácido nítrico. A la acción de formación de esta película se le conoce con el nombre de pasivación, la destrucción de esta capa afecta notablemente la resistencia a la corrosión. Corrosión galvánica Cuando dos a más metales diferentes son puestos en contacto, o dos metales con la misma composición química tienen superficies diferentes, puede presentarse un par galvánico en presencia de un electrolito. Si la superficie del metal catódico es mayor que la del anódico, el desarrollo de la corrosión de este último será más rápida que si las superficies fueran invertidas. El metal más noble (cátodo) en Ing. IFT 9 contacto con un electrolito, produce un ataque electroquímico sobre el metal menos noble (ánodo). Ejemplos característicos de corrosión galvánica se presentan en las siguientes condiciones: • Uso de Zinc para proteger aceros, ya que siendo anódico el zinc, se corroe más en contacto con el agua. • Tuberías de acero para conducción de agua donde se utilizan válvulas y conexiones de bronce, localizándose la corrosión del acero en los puntos de conexión; o siendo la tubería de cobre y las conexiones de acero, la corrosión se desarrollará notablemente en el acero. En la siguiente lista aparece la serie galvánica de los metales partiendo del extremo anódico (menos noble) hasta llegar al extremo catódico (más noble). Magnesio Aleaciones de magnesio Zinc Aluminio AA1100 Cadmio Aluminio AA2017 Fierro y acero al carbón Acero al cobre Acero 4-6% cromo Aceros inoxidables ferríticos serie 400 activos Aceros inoxidables austeníticos, 18% Cr-8% Ni, activo Plomo-estaño, soldadura Plomo Estaño níquel activo Inconel activo Hastelloy C, activo Latones Cobre Bronces Aleaciones cupro-níquel Monel Plata, soldadura níquel pasivado Inconel pasivado Aceros inoxidables ferríticos pasivados Aceros inoxidables austeníticos pasivados Titanio Hastelloy C pasivado Plata Grafito Oro Platino Corrosión intergranular La corrosión intergranular es el resultado de un ataque electroquímico localizado, que ocurre y progresa a lo largo de los limites del grano de una aleación debido a que las regiones limitantes conteniendo material anódico con respecto a la región central del grano. Este tipo de ataque puede penetrar a través del espesor del material con perdida de su resistencia, aunque el ataque sea aparentemente ligero. Normalmente, la corrosión intergranular se produce por la precipitación de carburos con alto contenido de cromo a lo largo de los límites del grano, originando un empobrecimiento de cromo en los alrededores de granos adyacentes, que si operan en un medio corrosivo forman celdas galvánicas y las zonas empobrecidas se transforman en una solución anódica. Las aleaciones más susceptibles a este tipo de corrosión son: • Aceros inoxidables austeníticos Ing. IFT 10 • Aleaciones con alto contenido de níquel • Aleaciones de aluminio En aceros inoxidables austeníticos, la precipitación de carburos de cromo tiene lugar entre 450-900º C por esfuerzos de trabajo en caliente y de soldadura. Los carburos de cromo pueden ser disueltos con tratamiento térmico arriba de 1000º C, seguido de un enfriamiento rápido que tiende a eliminar de esta forma la corrosión intergranular. Otra forma de combatir la corrosión intergranular consiste en aplica una estabilización a una temperatura de 850º C para reducir el empobrecimiento del cromo en los límites del grano, por igualación de difusión que normalmente ocurre a esa temperatura. La velocidad y formación del carburo de cromo es función del tiempo, temperatura y contenido de carbón. Con bajos contenidos de carbón (0.07% y 0.03%), o bien utilizando estabilizadores como Columbio, Nibio, Titanio, Tantalio, Etc., se puede prevenir la corrosión intergranular. Corrosión localizada Las corrosiones por picadura (pitting), y hendidura o cavidad (crevice), también son de naturaleza electroquímica y se refleja en pérdidas de metal en zonas anódicas localizadas. Esto se debe a la destrucción de película sobre la superficie del metal por efecto mecánico o químico. La corrosión por picadura (pitting), se presenta con frecuencia y se desarrolla rápidamente sin ser detectada hasta presentarse la falla. Se puede presentar en cualquier metal, pero lo más notable es como se presenta en aleaciones de aluminio y aceros inoxidables en medios acuosos con presencia de cloruros. Cuando los aleantes químicos y condiciones causantes de la corrosión no pueden ser eliminados, inhibidores de corrosión o aleaciones de níquel. La corrosión por hendidura o cavidad (crevice), asi como la corrosión por contacto, normalmente se presenta donde una cantidad de electrolito es confiado dentro de una pequeña superficie: por ejemplo, bajo empaques, soportes, o cualquier sólido en contacto con el metal, de tal modo que se forma una hendidura, o una cavidad o bolsa. El electrolito confinado cambia su composición respecto a la concentración metal-ion, oxígeno, etcétera, formándose una diferencia de potencial y corroyéndose el metal en el área anódica. Para convertirla no bastan inhibidores, lo más indicado es procurar un cambio en las condiciones mecánicas o una mejor especificación de materiales. Agrietamiento por esfuerzos y corrosión (Stress corrosion craking) La fractura o agrietamiento es el resultado de efectos combinados de esfuerzos aplicados o residuales y de la acción química, sin perdida aparente de metal a través de una corrosión uniforme. Esta clase de corrosión es insidiosa, puesto que se desarrolla rápidamente una vez iniciada la acción y frecuentemente no es detectada hasta que la falla ocurre. La falla es precedida por una picadura fina con la fractura o grieta. El tiempo requerido para que se desarrolle puede ser de días, meses o años, dependiendo de las condiciones de trabajo. Este tipo de falla tiene forma de penetración transgranular o agrietamiento; en ocasiones se presenta en las dos formas. Ejemplos característicos de esta falla son: • El bronce conformado en frió, que en presencia de amoniacos se fractura longitudinalmente. • Aceros inoxidables austeníticos en presencia de cloruros • Fragilización del acero por la acción de soluciones cáusticas • A temperaturas de 50º C sin importar la concentración, los cloruros no causan fracturación en los aceros inoxidables austeníticos, pero si la temperatura se eleva, la falla puede presentarse a un con baja concentración de cloruros. Esto pude observarse en intercambiadores de calor verticales, entre las hendiduras de juntas roladas y bajo la escoria formada en la cámara de vapor próxima al espejo superior. • En aceros inoxidables austeníticos forrados con material aislante, en donde la humedad puede estar presente por filtración y producir concentración de cloruros sobre la superficie caliente. • En aceros que manejan cáusticos con temperaturas de hasta de 49ºC el comportamiento es satisfactorio; pero si la temperatura se eleva arriba de 49ºC y la concentración es de 30% en peso, la falla no se dejara esperar en soldaduras que no hubieran sido relevadas de esfuerzos. Esta falla es muy frecuente y se acelera con el incremento de temperatura. Ing. IFT 11 Fatiga por corrosión (Corrosión fatigue) Esta es una forma de corrosión por esfuerzos (strees corrosión), que se presenta en condiciones de esfuerzos dinámicos o alternativos en un medio corrosivo. La falla por fractura se presenta por efecto de esfuerzos cíclicos y corrosión, que son inferiores al límite normal de fatiga. Ampollamiento y fracturación por hidrógeno (Hidrogen blistering and cracking) Es frecuente que en equipos de acero que manejan soluciones que contenga sulfuro de hidrogeno se presenten microfracturas y ampollas con pérdida de ductilidad por introducción y difusión de hidrógeno atómico. En estas condiciones la corrosión del acero genera hidrógeno atómico que penetra en su estructura metalúrgica originando discontinuidades microscópicas o anulando cambios a hidrógeno molecular con desarrollo de altas presiones, suficientes para producir fracturación o ampollamiento. Las placas de acero, tuberías y forjas que contienen laminaciones normalmente se ampollan; los espárragos o tornillos de alta resistencia fallan por fracturación en servicio sulfuroso. Este último es un ejemplo característico de falla por esfuerzo y corrosión que puede ser mínima si se reducen los esfuerzos. La aplicación de inhibidores de amina en soluciones con sulfuro de hidrógeno proporciona buenos resultados en la prevención de este tipo de corrosión. La resistencia de los aceros contra el ataque del hidrógeno también se incrementa y mejora con el cromo por la estabilidad que se logra con los carburos de cromo. Corrosión selectiva La corrosión selectiva consiste en la remoción por corrosión de un componente de una aleación sin pérdida aparente en volumen, pero con pérdida considerable de su resistencia. La remoción del zinc en las aleaciones de latón, dejando el cobre limpio y el volumen del metal sin corroer, es un ejemplo de corrosión selectiva. La corrosión puede ser general o localizada y para prevenirla se utilizan como inhibidores agregados a la aleación arsénico, fósforo, antimonio, etc. Otro ejemplo es la corrosión grafítica del fierro fundido, donde se presenta la corrosión galvánica entre el fierro y el grafito, componentes del fierro fundido en forma de masa esponjosa. El perfil y volumen originales se conservan, pero la resistencia del metal se pierde conforme la corrosión progresa a través de la sección transversal. Esto es frecuente en líneas de fierro fundido enterradas, particularmente donde existen humedades ácidas. Corrosión por erosión Una corrosión acelerada puede resultar de una erosión que remueve la pelicula protectora. En sistemas que manejan líquidos con sólidos en suspensión, se puede presentar en partes susceptibles a dañarse como impulsores de bombas, paletas de agitadores, conexiones de tuberías, etc. La corrosión puede ser reducida por disminución de la velocidad del flujo, cambios del medio y uso de inhibidores y materiales de mayor resistencia y dureza. Corrosión por choque La corrosión por choque es muy semejante a la corrosión por erosión, excepto que los sólidos son mezclados raramente y sus efectos están más localizados. Normalmente se observa en tubos de acero y de aleación no ferrosa, en los extremos de la entrada del flujo en intercambiadores de calor y condensadores. Su efecto puede minimizarse reduciendo la velocidad o turbulencia, o utilizando casquillos (ferrules) en los extremos de entrada de los tubos. Cavitación La cavitación puede considerarse como otro tipo de corrosión por erosión, ya que puede presentarse en condiciones no corrosivas. Esta se presenta en metales donde se manejan líquidos en movimiento y resulta específicamente de la formación y colapsamiento de burbujas o cavidades de vapor en contacto con la superficie metálica, con efectos de golpeteo y fricción combinados. Ing. IFT 12 El aspecto que presenta varía desde una superficie áspera en materiales resistentes y dúctiles, a otro con picaduras en materiales de baja resistencia, no dúctiles. Frecuentemente se observa en carcazas e impulsores de bombas centrífugas. Corrosión por rozadura (Fretting corrosión) La corrosión acelerada entre dos superficies por remoción mecánica de la película protectora se denomina corrosión por fricción o rozadura, y está presente en la entrecar de metales cuando son unidos o fijados muy estrechamente con abrazaderas u otros medios sometidos a movimientos vibratorios pequeños, como en mecanismos y partes de maquinaria con movimientos relativos y cargas unitarias altas. Corrosión por alta temperatura La reacción química de metales a temperaturas elevadas, con uno o más componentes de un medio gaseoso, con frecuencia se traduce en corrosión. El resultado más común es la oxidación, donde el metal forma óxidos y las pérdidas se presentan en forma de escamas. La velocidad de la pérdida en condiciones oxidantes aumenta si la temperatura se eleva, y generalmente, es mayor en condiciones fluctuantes de temperatura por aflojamiento de la escama y pérdida de su valor de protección. El cromo es el elemento más importante de una aleación para trabajar a altas temperaturas, porque incrementa notablemente su resistencia cuando está presente en un 20% mínimo. El níquel en combinación con el cromo, proporciona buenas propiedades de resistencia a la corrosión en cantidades hasta de 20% o mayores. Sulfatación La sulfatación es otra forma de corrosión a temperatura alta, donde las atmósferas sulfurosas producen un ataque y penetración intergranular en los alrededores del grano. El níquel y sus aleaciones con alto contenido del mismo limitan en gran parte este ataque. La velocidad de ataque en ocasiones es mayor en condiciones reductoras que n condiciones oxidantes. El níquel también está sujeto al ataque de sulfatación en atmósferas reductoras a temperaturas superiores a 320º C, pero con adición de cromo se mejora notablemente su resistencia. Corrosión biológica El acero o el fierro fundido pueden deteriorarse directa o indirectamente como resultado de una actividad metabólica de microorganismos. Las bacterias anaeróbicas reductoras sulfatadas son las más importantes en este tipo de corrosión, contribuyendo a la afectación por cambios en la película resistente sobre la superficie o creando una barrera para producir concentración de celdas o corrosión de tipo precipitado. Al remover los productos de la corrosión, el aspecto es de picadura aislado o traslapado en efectos fibrosos. Esta corrosión se presenta en terrenos arcillosos y pantanosos y los revestimientos son usados frecuentemente como medio de protección. Factores que influyen en la corrosión Un gran número de factores influyen en la creación y proporción de la corrosión, los más importantes son la temperatura, velocidad, grado de acidez (Ph), condiciones oxidantes, condiciones reductoras y humedad. Coma regla general, las proporciones de la corrosión aumentan con incrementos de temperatura. El incremento proporcional de la corrosión de los aceros en medios alcalinos no es tan severo al aumentarse la temperatura como en medios ácidos. Sin embargo, en pocos minutos una disminución de temperatura incrementará la corrosión por cambios en las condiciones del medio. Por ejemplo, en los enfriadores de gases ácidos donde está expuesto el acero. Una reducción en la temperatura puede alcanzar el punto de rocío y como consecuencia la conden sación, resultando una corrosión más intensa que cuando los gases se encuentran a más alta temperatura. La velocidad aumenta la corrosión dependiendo de las condiciones de operación y puede deberse a la remoción de la película o al suministro constante del elemento corrosivo. La corrosión por choque se origina por efectos de la velocidad y la corrosión por picadura (pitting) es más severa en condiciones estáticas o tranquilas. Ing. IFT 13 El valor del grado de acidez, Ph, no es un factor predominante con respecto a la corrosión de los metales; no obstante que la velocidad relativa de la corrosión es función de la solubilidad de la película o de los productos de la corrosión. Una reducción en el grado de acidez dará como resultado un aumento en la corrosión de los metales que actúen en soluciones ácidas diluidas; un aumento del mismo, arriba del punto neutro, incrementará la corrosión de los metales sometidos en soluciones alcalinas. Deformación plástica (Creep) Cuando un material se somete a un esfuerzo inferior a su resistencia de tensión y a temperatura ambiente, inicialmente se alarga conforme se aplica la carga sin observarse deformación considerable; pero si la misma carga se aplica a temperatura elevada, el material se deformará tanto como la carga sea sostenida hasta ocurrir la ruptura después de transcurrido cierto tiempo. A este comportamiento del material se le denomina deformación plástica (Creep). La temperatura a la cual la deformación plástica comienza a adquirir importancia depende específicamente del material. Para aceros con bajo y medio contenido de carbón y carbono-molibdeno, la 1temperatura se considera desde 565º C. El objeto de una prueba de deformación plástica consiste en determinar la velocidad con que se desarrolla en función del esfuerzo aplicado, del tiempo y la temperatura, considerando la composición química y la micro estructura del material. Resistencia a la deformación plástica (Creep strength) Esta se define como el esfuerzo requerido para producir una deformación plástica (Creep strength) en un tiempo y temperatura determinados. Por ejemplo, 0.1% de deformación plástica en 100 000 horas a 538º C. Resistencia a la fatiga (Fatigue strength) Cuando un material se somete a esfuerzos menores a su resistencia de tensión no se romperá, pero si la misma carga es removida y reaplicada varias veces, el material llegará a romperse. Un ejemplo característico de fatiga es doblamiento repetido de un alambre sobre un punto de falla. La resistencia de un material para soportar cargas repetidas y que está relacionada con el número de ciclos necesarios para alcanzar un punto de falla se conoce como resistencia a la fatiga, y se determina por la aplicación de esfuerzos a la tensión seguidos por esfuerzos a la compresión al mismo nivel. Fase sigma La tendencia mayor hacia la formación de la fase sigma se presenta en los aceros con muy alto contenido de cromo, como los inoxidables austeníticos. Desde luego, esto no quiere decir que la precipitación de sigma esté limitada únicamente a éstos aceros. La precipitación de sigma en los aceros inoxidables austeníticos se acelera por la presencia de partículas de ferrita. Si ambas, austenita y ferrita están presentes en un acero inoxidable, fase sigma se formará primero en las zonas ferríticas por ser más ricas en cromo que las zonas austeníticas. Por lo tanto, es posible que la fase sigma pueda formarse en una aleación cuyo contenido total de cromo sea demasiado bajo para promover la precipitación de sigma, simplemente porque el cromo tiende a concentrarse en la ferrita. La rapidez con que se precipite sigma no depende sólo de la composición química del material, sino de la temperatura. La formación de sigma ocurre a temperaturas desde 700 a 850º C. Cuando esto se presenta en la micro estructura de la aleación, la resistencia a la corrosión disminuye, la ductilidad se reduce, la dureza aumenta y la resistencia al impacto desciende significativamente. La fase sigma es posible removerla por medio de un tratamiento térmico de recocido entre 1 000 y 1 100º C. 1.3 RELEVADO DE ESFUERZOS ¿Cuándo hacer el relevado? Para efectuar el relevado de esfuerzos de soldaduras, es necesario considerar los siguientes puntos de vista: Ing. IFT 14 1. El diseño estructural 2. Las condiciones de operación 3. Las propiedades de los fluidos por manejar 4. La composición química del material 5. El espesor y la longitud de las unidades En general, un relevado de esfuerzos se aplica a aceros al carbón desde ¾” (19 mm) de espesor y esfuerzos mínimos de tensión de 2 800 - 5 280 kg/cm2, hasta aceros al carbón-molibdeno de ½” (13mm) de espesor o mayor. Los aceros al cromo, cromo-molibdeno, al níquel y al cromo-níquel, deben ser relevados de esfuerzos, exceptuando aquellos casos donde se especifique no ser obligatorio. Finalidad del relevado de esfuerzos El relevado de esfuerzos de una soldadura tiene por objeto: 1º 2º 3º 4º Reducir o eliminar esfuerzos térmicos residuales generados durante la operación de soldar. Los esfuerzos térmicos son producidos por alta temperatura del arco eléctrico y por expansión del material localizado en la zona afectada por el calor. La presión ejercida por esta expansión comprime al material próximo a la zona fría, generándose de esta forma esfuerzos térmicos por la diferencia de temperaturas. Eliminar zonas endurecidas por absorción de nitrógeno y oxígeno del aire, por incremento del contenido de carbón en el material depositado. Las zonas endurecidas pueden ser removidas por calentamiento del material a una temperatura suficiente para provocar que las partículas de carbón finamente divididas entren en solución y se precipiten en partículas de forma esferoidal más grande, ya que la forma áspera del esferoidizado es más suave y dúctil. Fomentar el relajamiento por reducción de la resistencia a la cedencia en el material. El relajamiento se produce a una temperatura superior a 538º C, y por tanto, los esfuerzos de concentración se alivian. Reducir la dureza del material como resultado del ciclo de enfriamiento controlado. Programa para relevar esfuerzos El relevado de esfuerzos debe ser específico para cada material en las condiciones de trabajo dadas. Por tanto, deberá ajustarse a un programa de relevado con las fases y efectos que a continuación se describen. Control de velocidad de calentamiento Como los esfuerzos térmicos son causados por la expansión del material en una zona localizada, si la temperatura de relevado se elevara rápidamente, se correría el riesgo de transmitir esfuerzos tan grandes como los alcanzados con la temperatura del arco eléctrico, distribuidos en forma irregular y muy apartados de la unión soldada. Para cuidar que esto no suceda es necesario tener un control sobre la velocidad de calentamiento, debe ser lenta. Temperatura y tiempo de relevado (Soak temperature and soak time) La temperatura de relevado se encuentra aproximadamente 38º C abajo del límite crítico o de transformación. El límite crítico o de transformación es el intervalo de temperatura dentro del cual se forma la austenita cuando el material está siendo calentado. Este depende de la composición química del material y de la velocidad de cambio de la temperatura, particularmente durante el enfriamiento. El límite crítico o de transformación se encuentra a más baja temperatura durante el enfriamiento que en el calentamiento y el tiempo de relevado depende del espesor del material. Por regla general, el tiempo es de una hora por pulgada (25 mm) de espesor, asegurando una distribución uniforme de calor a través del espesor del material y proporcionando un relajamiento completo para aliviar los esfuerzos residuales. Control de la velocidad de enfriamiento El control de la velocidad de enfriamiento reduce la acción del temple que tendería a formar partes Ing. IFT 15 duras en el material, también contribuye a reducir la dureza. Una velocidad de enfriamiento uniforme evitará la formación de nuevos esfuerzos. D T E M P E R A T U R A B E C A F TIEMPO A-B Elevación de temperatura hasta alcanzar la de precalentamiento. B Desmagnetizado eléctrico del material por selección manual. B-C Tiempo para soldar a nivel de precalentamiento. C-D Elevación de temperatura a velocidad controlada hasta alcanzar la de relevado. D-E tiempo de relevado controlado automáticamente. E-F Descenso de temperatura con velocidad controlada. C-D-E-F Control automático completo, tiempo de relevado y velocidad de enfriamiento. Figura 1-1 1.4 Programa maestro para el control del calentamiento y relevado de esfuerzos por inducción. TRATAMIENTOS TERMICOS DESPUES DE SOLDAR Actualmente existen varias clases de tratamientos térmicos que son aplicados después de terminado el trabajo de soldadura. A continuación se describen los más importantes: 1. Relevado de esfuerzos.- Consiste en un calentamiento uniforme de una soldadura o conjunto de soldaduras a una temperatura abajo del límite crítico del material, seguido de un enfriamiento uniforme controlado. 2. Recocido.- Su aplicación tiene por objeto suavizar un material tanto como sea posible, calentándolo a una temperatura entre 10 y 38º C arriba del límite crítico o de su transformación, seguido de un enfriamiento uniforme controlado. 3. Normalizado.- Consiste en calentar a un acero a una temperatura de 38º C arriba del límite crítico, aplicando después un enfriamiento en aire calmado. 4. Endurecimiento.- Se produce por calentamiento de un acero entre 10 y 38º C arriba del límite crítico y un enfriamiento rápido cuya velocidad exceda a la crítica de enfriamiento del acero. 5. Endurecimiento y templado.-Consiste en calentar y enfriar el material para obtener una estructura martensítica; por consiguiente, el laminado o estirado por calentamiento a una temperatura determinada, depende del grado de ductilidad, resistencia a la tensión, resistencia a la cedencia y dureza, que sean requeridos en la especificación del material. Precalentamiento antes de soldar Siempre es necesario un precalentamiento antes de soldar, ya que su efecto de reducir esfuerzos de concentración y térmicos, así como superficies duras, facilitan el trabajo de soldadura. Por lo general, es recomendable para aceros al carbón con resistencia mínima de tensión de 4 930 kg/cm2 (70 000 lb/pulg2), para aceros al carbono-molibdeno, cromo-molibdeno, cromo-vanadio y aceros con níquel. El precalentamiento comprende temperaturas hasta de 260º C. Ing. IFT 16 METODOS PARA RELEVAR ESFUERZOS Por horno Para ensambles o conjuntos soldados de dimensiones grandes y complicadas, el relevado de esfuerzos es aplicado dentro de un horno. La temperatura debe ser controlada y uniforme para asegurar un relevado apropiado. Normalmente se utiliza gas como combustible. Por flama oxi-acetilénica El uso de la flama oxi-acetilénica fue uno de los primeros métodos empleados para relevar esfuerzos. La velocidad de calentamiento y la distribución de calor eran controlados manualmente, las temperaturas eran comprobadas por medio de gráficas de colores o con lápices de temperaturas. Más tarde, este método fue mejorado con el empleo de anillos de gas colocados alrededor del cuerpo del recipiente o del tubo, lográndose una mejor distribución de calor pero con dificultades en el control de la velocidad de calentamiento. Por resistencia En este método se utilizan resistencias enrolladas alrededor del material y conectadas a una fuente de energía. Las resistencias son protegidas con aislamiento térmico para reducir pérdidas de calor por radiación. El calentamiento es completado por convección del material que será relevado de esfuerzos. Por inducción Es el sistema más refinado para relevar esfuerzos; el calor es generado directamente por el mismo material y las pérdidas de calor por radiación pueden controlarse mejor que con otros métodos. El calentamiento tiene propiedades magnéticas por el uso de bobinas de inducción, resultado de histéresis en el material y pérdidas de corriente de Eddy. En materiales no magnético no magnéticos, únicamente la pérdida de corriente de Eddy proporciona el medio de calentamiento. Frecuencias para calentamiento Para un calentamiento uniforme de relevado, se requiere una velocidad de calentamiento baja. Esto puede ser obtenido utilizando altas frecuencias. Actualmente se ha generalizado el uso de frecuencia de 400 ciclos por segundo, debido a la precisión para controlar el calor. Estos equipos utilizan un motor generador como fuente de energía con un control más preciso del calor, que aquellos de 60 ciclos utilizando un transformador. Para aceros inoxidables al cromo, aceros al níquel, así como soldaduras de materiales diferentes, la velocidad de calentamiento debe ser de 93º C por hora o menor. Para otros materiales se recomiendan hasta 150ºC por hora con resultados satisfactorios También la velocidad de enfriamiento debe ser controlada, por lo que es recomendable que todos los materiales sean enfriados a una velocidad de 93º C por hora, partiendo de la temperatura de relevado. El calentamiento uniforme necesario para el relevado de esfuerzos debe ser hasta alcanzar la temperatura de relevado y sostener esta durante un tiempo proporcional basado en una hora por pulgada (25 mm) de espesor. Cuando un recipiente se releva de esfuerzos por secciones, las uniones de cierre perimetrales serán relevadas por calentamiento uniforme de una banda circunferencial con un ancho mínimo de seis veces el espesor de la placa sobre cada lado de la costura de la soldadura; en tuberías, la banda circunferencial será por lo menos tres veces la amplitud de la parte más abierta de la ranura soldada, pero en ningún caso menor que dos veces el ancho del cordón de refuerzo. Interrupción del ciclo precalentamiento-postcaIentamiento En trabajo de soldadura donde se aplican precalentamiento y postcalentamiento, surgen con frecuencia preguntas como las siguientes: •¿Es posible o no permitir que la soldadura se enfríe a la temperatura ambiente antes de aplicar el tratamiento térmico? •¿Antes o después de su terminación? Ing. IFT 17 Los efectos de interrupción del ciclo de calentamiento son de dos tipos: metalúrgicos y mecánicos. Los efectos metalúrgicos envuelven cambios micro estructurales, mientras que los efectos mecánicos producen contracciones térmicas con deformaciones localizadas y grandes esfuerzos residuales. Definitivamente, por decirlo así, el ciclo de calentamiento que proporciona mayor seguridad del éxito alcanzado en una soldadura, es aquel donde no hay interrupción en el precalentamiento y el tratamiento térmico posterior es aplicado inmediatamente. Sin embargo, pueden existir motivos de carácter operacional y económico para que el proceso no sea en forma continuada, siendo obligada la interrupción tanto del trabajo como del ciclo de precalentamiento y postcalentamiento. Es difícil establecer reglas que determinen cuándo pueden ser permitidas las interrupciones, ya que existen muchos factores que deben ser considerados. A continuación se mencionan algunos de ellos. Temperatura del aire Si la temperatura del aire disminuye y el ambiente es frío, por lo general no es recomendable interrumpir el ciclo de calentamiento. Humedad y otros componentes con hidrógeno El hidrógeno puede penetrar en el arco eléctrico por medio del vapor de agua, o por los materiales del revestimiento de algunas clases de electrodos. Cuando esto ocurre, el hidrógeno disuelto en el metal puede producir grandes esfuerzos y fracturas por lo que es mas seguro interrumpir cuando son utilizados electrodos con bajo contenido de hidrógeno, tomando precauciones para que no adquieran humedad mediante un secado previo a su aplicación. Esto es preferible a aquellos electrodos con otras clases de revestimientos y que se les permita absorber cierto grado de humedad. Juntas de sujeción y soportes En una soldadura entre miembros fuertemente soportados, existen más esfuerzos residuales como sucede en una unión de cierre de una tubería con presorteo en frío o cuando existen momentos flexionantes grandes y la soldadura no ha sido terminada. Para estos casos, no se recomiendan las interrupciones. Endurecimiento del metal base Este efecto no es de tomarse en cuenta para aleaciones al cromo-molibdeno con bajo contenido de carbón, pero si el carbón aumenta y el cromo se excede en 2.5% en la dureza tiende a incrementarse fuertemente, por lo que no se recomienda la interrupción del ciclo de calentamiento. Masa del metal base Conforme aumenta la masa del metal base, aumenta la sujeción de la soldadura y la velocidad de enfriamiento en la zona afectada por el calor y del metal depositado. Por tal motivo, la zona de soldadura está sometida a esfuerzos y expuesta a ser menos dúctil. Debido a que los esfuerzos unitarios de la soldadura son bajos en comparación con los especificados para el material base, la interrupción no es permitida si no ha sido depositada determinada cantidad de material de aportación por lo menos en una tercera parte del espesor de pared. Ya que se permiten interrupciones, el enfriamiento debe ser lento y uniforme, y no proceder a soldar hasta que la temperatura de precalentamiento haya sido reestablecida. Para aceros al cromo-molibdeno con 2.5% de Cr y hasta una pulgada (25 mm) de espesor, el ciclo puede interrumpirse con seguridad cuando se trabaje con un procedimiento controlado y sean utilizados electrodos con bajo contenido de hidrógeno. Los espesores mayores de una pulgada (25 mm), deberán soldarse sin interrupción. Ing. IFT 18 ACEROS DE BAJO CARBONO ACEROS MEDIONO CARBONO ACEROS CARBONO ½ MOLIBDENO Ing. IFT 19 2.- ACEROS AL CARBONO Y CARBON-1/2 MOLIBDENO 2.1.- ACEROS DEBAJO CARBONO Se consideran aceros bajo carbón todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTMA 106, Grado A ASTM-A 53, Grado A ASTM-A 192, ASTM-A 178. Grado A ASTM-A 161, Bajo carbón ASTM-A 179, ASTM-A 214, ASTM-A 285, Grado A, B Tubería sin costura para alta temperatura. Tubería sin o con costura. Tubos o fluses sin costura para calderas. Tubos o fluses soldados para calderas. Tubos sin costura para calentadores a fuego directo en refinerías. Tubos sin costura para intercambiadores de calor. Tubos soldados para intercambiadores de calor. Placas para recipientes a presión. Composición química en porciento: Carbón (C) 0.06-0.18 Manganeso(Mn) 0.27-0.63 Silicio (Si) 0.25 máx. Fósforo (P) 0.048 máx. Azufre (S) 0.058 máx. Aplicaciones Los aceros antes mencionados son utilizados donde la resistencia a la corrosión y a la oxidación no son predominantes como en tubos y envolventes de condensadores, intercambiadores de calor, calderas, sobrecalentadores y calentadores de fuego directo en refinerías. Pueden trabajar a una temperatura de 380º C cuando las condiciones de operación puedan provocar grafitización. De no presentarse grafitización, la temperatura máxima recomendada es de 482º C con esfuerzos bajos. No es recomendable trabajar estos aceros con esfuerzos mayores a los de diseño y a la temperatura máxima recomendada porque su duración se reduce significativamente. Trabajo en caliente Pueden ser trabajados en caliente sin peligro de endurecerse al aire. El forjado deberá ser a 1 038 – 1 200º C; eI doblado de tubos a 899 – 954ºC. No es recomendable trabajar con temperaturas inferiores a 899º C. Cuando se requiera, estos aceros pueden ser normalizados a 899º C. Soldadura Generalmente son soldados con electrodos de acero suave del grupo E60XX o E70XX, especificación AWS A5.1, o con electrodos equivalentes de igual resistencia aplicados en otros procedimientos de soldadura. TABLA 2.1 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura Resistencia Resistencia Alargamiento Reducción ºC a la cedencia a la tensión en % para 2" del área Kg/cm2 (50 mm) en % Kg/cm2 * 27 2 465 3 873 35 64 149 l 972 4 155 27 61 260 1 655 4 190 25 60 371 1 408 3 704 33 68 482 1 127 2 887 42 76 Ing. IFT 20 593 789 1 408 704 394 697 815 ---394 * A 0.2% de deformación permanente. 55 72 90 87 94 97 EI precalentamiento antes de soldar no es necesario en secciones delgadas; pero en espesores gruesos, mayores que 1" (25 mm), deberá ser de 38º C mínimo. Para todos los espesores en general, la temperatura nunca será menor que 10º C antes de iniciar cualquier trabajo de soldadura. El tratamiento térmico posterior no es necesario, excepto únicamente en aquellos trabajos donde se requiera reducir la corrosión por esfuerzo o para impartir buenas propiedades de tenacidad, en tales condiciones, el tratamiento térmico posterior deberá ser aplicado entre 593 – 675º C. TABLA 2.2 PROIEDADES CARACTERISTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC 426 482 538 Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad de deformación plástica de: 0.0001%/ hora 0.00001%/ hora (1% en 10000 (1% en 100000 horas) horas) Esfuerzo (Kg/cm2) de ruptura en: 1 000 l0 000 l00 000 horas horas horas 866 401 l83 1634 l 035 479 521 225 99 1 282 704 387 1009 486 310 TABLA 2.3 ESFUERZO DE TENSIÓN MÁXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS, ACEROS BAJO CARBONO Espec. Descripción ASTM A 53, Grado A Tubería sin A 106, Grado A costura A 192 Tubos o fluses A 179 sin costura -----A 285, Grado A Placas A 285, Grado B Placas Resistencia a la tensión Mm. Kg/cm2 Esfuerzo (Kg/cm2) de tensión máximo permitido, temperatura del metal en º C. -29 a 343 371 426 482 538 3 380 845 820 655 458 ---- 648 775 852 458 634 676 ---458 458 ------- 827 3 169 3 521 806 792 880 Cuando el tratamiento no pueda ser aplicado a la temperatura de relevado especificada, es permitido efectuarlo a temperaturas más bajas, pero con tiempos más largos. Por ejemplo, si la reducción de la temperatura abajo de la mínima requerida es de 10º C, el tiempo, deberá ser por lo menos de dos horas por pulgada (25 mm) de espesor; tres horas para 38º C y de cinco horas por pulgada (25 mm) de espesor si la reducción es de 66º C. El tratamiento térmico posterior no es necesario para espesores de 1 ½” (38 mm), siempre que se haya soldado con un precalentamiento sostenido de 70º C mínimo y las condiciones de operación lo permitan. Ing. IFT 21 Recomendaciones para la soldadura de aceros bajo carbón con aceros: Carbón – ½ molibdeno (C-½Mo) Electrodos clasificación AWS E60I0, 1.1,15 ó 16. Precalentar a 36º C cuando la temperatura del aire sea menor que 10º C, o el espesor del material exceda de ¾” (19 mm). ½ Cromo – ½ molibdeno Electrodos AWS E7015, 16.18. Precalentar a 149 – 315º C. Relevar esfuerzos a (½Cr–½Mo) 620 – 675º C, 1 hora por pulgada de espesor, una hora mínimo. Cuando no es deseado aplicar relevado de esfuerzos, se pueden utilizar electrodos AWS E3l0-l5, 16, E3I0Cb-15, I6 y AWS ENi Cr Fe-3. 1 cromo - ½ molibdeno (1 Cr–½Mo) Lo mismo que para aceros ½ cromo – ½ molibdeno. 1 ¼ cromo- ½ molibdeno Lo mismo que para aceros ½ cromo – ½ molibdeno (1½ Cr–½ Mo) 2¼ cromo-l molibdeno (2¼ Cr-1 Mo) Electrodos AWS E7015, 16, 18. Precalentar a 149-3l5ºC. Relevar esfuerzos a734º C, 1 hora por pulgada de espesor, dos horas mínimo. Enfriar a 65º C por hora máximo hasta 593º C; abajo de 593º C enfriar al aire si el lugar está cubierto. Cuando no es deseado aplicar relevado de esfuerzos se pueden utilizar electrodos AWS E310-15, 16; E310Cb-15, 16, o AWS ENi Cr Fe-3. 3 cromo-l molibdeno (3 Cr-l Mo) Lo mismo que para aceros 2¼ cromo- 1 molibdeno. 5 cromo–½ molibdeno (5 Cr-½ Mo) Lo mismo que para aceros 2¼ cromo-1 molibdeno. 18 cromo-8 níquel (18 Cr-8 Ni)Tipo 304 Electrodos clasificación AWS E309-l5, 16. Precalentar a 38º C si la temperatura del aire es menor que 10º C o el espesor del material es ¾” (19 mm) o mayor. 18 cromo-8 Níquel Ti (18 Cr-8 Ni Ti) Tipo 321 Electrodos AWS E309-15, 16. Precalentar a 38º C si la temperatura del aire es rnenor que 10º C o el espesor del material excede de ¾" (19 mm). Si se presentan problemas de solda bilidad con los metales base, se pueden utilizar electrodos especificación AWS ENi Cr Fe-3. 18 cromo-8 níquel Cb (18 Cr-8 Ni Cb)Tipo 347 Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel Ti. 18 cromo-8 níquel Mo (18 Cr-8 Ni Mo)Tipo 316 Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel Ti. 25 cromo-l2 níquel (25 Cr-l2 Ni)Tipo 309 Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel Ti. 25 cromo-20 níquel (25 Cr-20 Ni)Tipo 310 Electrodos AWS E309-15, 16. Precalentar a 38º C si la temperatura del aire es menor que 10º C, o el espesor del material exceda de ¾" (19 mm). Si se presentan problemas de solda bilidad con las piezas por soldarse pueden aplicar electrodos clasificación AWS ENiCr Fe-3. 2.2 ACEROS MEDIO CARBÓN Se consideran aceros medio carbón todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 106, Grado B ASTM-A 53, Grado B ASTM-A 210, Grado A-l, C ASTM-A 178, Grado C ASTM-Á 285. Grado C ASTM-A 515. Grado 55.60. 65,70 ASTM-A 36 Ing. IFT Tubería sin costura para alta temperatura. Tubería sin o con costura. Tubos o fluses sin costura para calderas. Tubos o fluses con costura para calderas. Placas para recipientes a presión. Placas para recipientes a presión. Placas, barras y perfiles estructurales. 22 Composición química en porciento: Carbón (C) Manganeso(Mn) Silicio(Si) Fósforo (P) Azufre (S) 0.35 máx. 0.29-1.06 0.10 mín. 0.048 máx. 0.058 máx. Aplicaciones Estos aceros son utilizados en servicios donde tanto la corrosión como la oxidación no sean factores predominantes. En tuberías, envolventes para recipientes, condensadores, intercambiadores de calor, calderas, sobrecalentadores y calentadores de fuego directo en refinerías. Cuando las condiciones de operación provocan grafitización, la temperatura máxima recomendada es de 400º C, si no existe este riesgo pueden trabajarse hasta los 482-538º C, pero con esfuerzos bajos para asegurar un mejor comportamiento, de no ajustarse a estas recomendaciones, la vida de estos aceros se verá muy reducida. Trabajo en caliente Este tipo de aceros pueden ser trabajados en caliente sin riesgo de que se endurezcan al aire. Temperatura ºC 27 149 260 371 482 593 704 TABLA 2.4 PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -RECOCIDO Resistencia Resistencia Alargamiento a la cedencia a la tensión en % para 2” kg/cm2 (50 mín) kg/cm2 2 535 4 501 37 2 127 4 501 25 1 958 4 493 28 1 788 3 851 35 1 514 3 098 42 1 148 1 775 50 542 634 72 Reducción del área en % 60 56 55 63 65 65 65 * A 0.2% de deformación permanente. El forjado deberá hacerse a una temperatura de1 038 - 1 204º C; el doblado del tubo a 899-954º C. No es recomendable desarrollar trabajos en caliente a una temperatura inferior a 899º C. Soldadura En sus diferentes grados, los aceros pueden soldarse con electrodos de acero suave del grupo E60 o E70 especificación AWS A5.l, dando preferencia al grupo E70 de electrodos con bajo contenido de hidrógeno. También pueden ser soldados con electrodos equivalentes de igual resistencia, aplicados a otros procedimientos de soldadura. EI precalentamiento antes de soldar no es necesario tratándose de secciones delgadas, pero en secciones gruesas, deberá aplicarse entre 38-l49º C, recomendándose utilizar electrodos de bajo hidrógeno para ambos casos. EI tratamiento térmico posterior no es necesario, excepto en el caso de aquellos trabajos donde se requiera reducir los esfuerzos por corrosión o para proporcionar buenas propiedades de tenacidad; en tales condiciones el tratamiento térmico deberá aplicarse entre 593-675º C. Cuando el tratamiento térmico posterior no puede ser practicado a la temperatura de relevado especificada, podrá ser aplicado a temperaturas más bajas con tiempos mas largos. Ing. IFT 23 Si la temperatura mínima especificada se reduce en 10º C, el tiempo deberá ser de dos horas por pulgada (25 mm) de espesor. De tres horas, si la reducción es de 38º C y de 5 horas por pulgada (25 mm) de espesor para 66º C de reducción. Temperatura 27 149 260 371 412 TABLA 2.5 PROPlEDADES CARACTERISTlCAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -NORMALIZADO Y TEMPLADOResistencia Resistencia Alargamiento Reducción a la cedencia a la tensión en % para 2" del área kg/cm2 (50 mm) en % kg/cm2 * 2 951 5 070 31 60 2 676 5 669 24 44 2 394 5 598 22 41 2 113 4 937 32 54 1 760 3 803 38 71 * A 0.2% de deformación permanente. El tratamiento térmico posterior no es obligatorio para espesores hasta de 1½ " (38 mm), cuando eI trabajo de soldadura se desarrolla con precalentamiento sostenido de 93º C y Ias condiciones de operación lo permiten. TABLA 2.6 PROPIEDADES CARACTERISTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -RECOCIDOEsfuerzo (Kg/cm2 para una velocidad de deformación plástica de: Temperatura 0.0001%/hora 0.00001%/ hora (1% en 10000 (1% en 100 000 horas) horas) 426 1507 972 482 697 422 538 310 183 Esfuerzo (Kg/cm2) de ruptura en: 1 000 10000 100000 horas horas horas 2 676 1 303 669 1746 873 444 1 227 577 296 TABLA 2.7 ESFUERZO DE TENSIÓN MAXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS. ACEROS MEDIO CARBÓN Espec. ASTM Descripción A53. Grado B A106. Grado B A210, Grado A-I A210, Grado C A285, Grado C A515, Grado. 55 A515, Grado 60 A515, Grado 65 A515, Grado 70 Ing. IFT Resistencia a la tensi6n mín. kg/cm2 Tubería sin costura 4 225 Tubos o fluses sin costura 4 225 Tubos o fluses sin costura 4 929 Placas 3 873 Placas 3 873 Placas 4 225 Placas 4 577 Placas 4 929 Esfuerzo (Kg/cm2) de tensión máximo permitido para Temp. del metal en ºC - 291a 343 371 426 4112 538 1 056 1 010 760 458 ---- 1 056 1 010 760 458 ---- 1 232 968 968 1 056 1 144 1 232 845 718 718 760 803 845 ---458 458 458 458 458 ---------------- 1 169 933 933 1 010 1 091 1 169 24 Recomendaciones para la soldadura de aceros medio carbón con aceros: Carbón-½ Molibdeno (C-½ Mo) (19 mm). ½ cromo-½ molibdeno ( ½ Cr–½ Mo) l cromo- ½ molibdeno (1 Cr- ½ Mo) 1¼ cromo-½ molibdeno (1 ¼ Cr–½ Mo) 2¼ cromo-1molibdeno (2¼ Cr-1 Mo) 3 cromo-1 molibdeno (3 Cr-l Mo) 5 cromo–½ molibdeno (5 Cr–½ Mo) 18 cromo-8 níquel (18 Cr-8 Ni) Tipo 304 18 cromo-8 níquel Ti (18 Cr-8 Ni Ti) Tipo 321 18 cromo-8 níquel Cb (8 Cr-8 Ni Cb) Tipo 347 18 cromo-8 níquel Mo (18 Cr-8 Ni Mo) Tipo 316 25 cromo-12 níquel (25 Cr-12 Ni) Tipo 309 25 cromo-20 níquel (25 Cr-20 Ni) Tipo 310 Electrodos clasificación AWS E6010, 11, 15 o 16. Precalentar a 36º C cuando la temperatura del aire sea menor que 10º C, o el espesor del material exceda de ¾" Electrodos AWS E7015, 16, l8. Precalentar a 149-3l5º C. Relevar esfuerzos a620675º C, 1 hora por pulgada de espesor; una hora mínimo. Cuando no es deseado aplicar relevado de esfuerzos, se pueden utilizar electrodos AWS E310-15, 16; E3l0Cb-l5, 16 y AWS ENi Cr Fe-3. Lo mismo que para aceros ½ cromo ½ molibdeno. Lo mismo que para aceros ½ cromo-½ molibdeno. Electrodos AWS E7015, 16, 18. Precalentar a l49-315º C. Relevar esfuerzos a 734º C, 1 hora por pulgada de espesor; dos horas mínimo. Enfriar a 65º C por hora máximo hasta 593º C; abajo de 593º C enfriar al aire si el lugar esta cubierto. Cuando no es deseado aplicar relevado de esfuerzos, se pueden utilizar electrodos AWS E310-l5, l6; E310Cb-15, I6 o AWS ENi Cr Fe-3. Lo mismo que para aceros 2¼ cromo-1 molibdeno. Lo mismo que para aceros 2 ¼ cromo-1 molibdeno. Electrodos clasificación AWS E309-15, 16. Precalentar a 38º C si la temperatura del aire es menor que 10º C o el espesor del material es ¾“(19 mm) o mayor. Electrodos AWS E309-15, l6. Precalentar a 38º C si la temperatura del aire es menor que 10º C o el espesor del material excede ¾“ (19 mm). Si se presentan problemas de soldabilidad con los metales base, se pueden utilizar electrodos especificación AWS ENi Cr Fe-3. Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel Ti. Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel Ti. Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel Ti. Electrodos AWS E309-15, 16. Precalentar a 38º C si la temperatura del aire es menor que 10º C, o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Si se presentan problemas de soldabilidad con las piezas por soldar, se pueden aplicar electrodos clasificación AWS ENi Cr Fe-3. 1.3 ACEROS CARBÓN–½ MOLIBDENO Se consideran aceros carbón-½ molibdeno todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 335, Grado P1 Tubería sin costura para alta temperatura. ASTM-A 209, Grado T1, T1a, T1b Tubos o fluses sin costura para calderas. ASTM-A 250, Grado T1, T1a, T1b Tubos o fluses con costura para calderas. ASTM-A 161, Grado T1 Tubos sin costura para calentadores de fuego directo en refinerías. ASTM-A 204. Grado A, B, C Placas para recipientes a presión. ASTM-A 182, Grado F1 Conexiones y válvulas forjadas o roladas. ASTM-A 336, Clase F1 Forjas para recipientes a presión. Composición química en porciento: Carbón(C) 0.104-0.20 Manganeso(Mn) 0.30-0.110 Silicio(Si) 0.10-0.50 Molibdeno(Mo) 0.44-0.65 Fósforo(P) 0.045 máx. Azufre(5) 0.045 máx. Ing. IFT 25 Aplicaciones Las aplicaciones para estos materiales son las mismas de los aceros con bajo y medio contenido de carbón. Con la adición del molibdeno aumenta su resistencia y disminuye la velocidad de plasticidad, por lo que pueden trabajar sometidos a esfuerzos más altos. Pueden trabajar hasta una temperatura máxima de 454º C, cuando las condiciones de trabajo pueden provocar grafitización. Trabajo en caliente Este tipo de aceros se endurecen al aire ligeramente más que los aceros al carbón. Por su alta resistencia en caliente, requieren temperaturas más altas para forjado y rolado. El doblado debe ser a 927-982 ºC; el forjado, suajeado o recalcado a l 091-1 204 ºC. Después del forjado o doblado, deberá relevarse de esfuerzos a 648-704 ºC, o normalizar desde 899 ºC. Soldadura Para soldar estos aceros deberán utilizarse electrodos del grupo E70XX-A l especificación AWS A5.5, preferentemente aquellos con bajo contenido de hidrógeno (E7015, 16, 18). En secciones de una pulgada (25 mm)de espesor o mayor deberá aplicarse un precalentamiento de 93 ºC mínimo y el tratamiento térmico posterior deberá efectuarse a 620-734 ºC, seguido de un enfriamiento al aire. TABLA 2.8 PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA –RECOCIDOTemperatura 27 149 200 371 482 593 704 815 Resistencia a la cedencia Kg/cm2* 2 819 2 458 2 162 1 944 l 789 1 549 662 218 Resistencia a la tensión Kg/cm2 4 662 4 859 4 965 4 994 4 155 2 676 1 268 422 Alargamiento en % para 2" (50 mm) 39 30 27 26 38 45 62 78 Reducción del área en % 70 68 69 71 75 82 90 77 * A 0.2% de deformación permanente. Temperatura 27 149 260 371 482 TABLA 2.9 PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -NORMALIZADO Y TEMPLADO Resistencia Resistencia Alargamiento Reducción a la cedencia a la tensió n en % para 2” del área 2 2 Kg/cm * (50 mm) en % Kg/cm 3 169 5 422 27 60 2 993 5 845 21 56 2 782 5 972 21 49 2 535 5 493 25 60 2 218 4 437 34 75 * A 0.2% de deformación permanente. Ing. IFT 26 TABLA 2.10 PROPIEDADES CARACTERISTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (Creep) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA –RECOCIDOEsfuerzo (kg/cm2) para una velocidad de deformación plástica de: 0.0001%/hora 0.00001%/hora (1% en 10 000 (1% en 100 000 horas) horas) 1 852 1 535 1 338 1 000 775 437 239 127 107 56 ------ Temperatura ºC 426 482 538 593 648 704 Esfuerzo (kg/cm2) de ruptura en: 1 000 10 000 100 000 horas horas horas -----3 197 1 606 789 387 176 -----2 183 1 021 408 197 77 -----1 542 662 211 106 35 TABLA 2.11 ESFUERZO DE TENSIÓN MÁXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS. ACEROS CARBÓN-1/2 MOLIBDENO Espec. ASTM Descripción Resistencia a la tensión mín. Kg/mm2 A335, Grado P1 Tubería sin costura Tubos o fluses sin costura Tubos o fluses sin costura Tubos o fluses sin costura Placas Placas Placas 3 873 Esfuerzo (Kg/cm2) de tensión máx. permitido para Temp. del metal en ºC. -29a 371 426 482 538 343 968 965 947 880 440 3 873. 968 968 947 880 440 4 225 1 056 1 056 1 014 880 440 3 732 933 933 915 880 440 4 577 4 929 5 282 1144 1 232 1 320 1 144 1 232 1 320 1102 1190 1 268 880 898 915 440 440 440 4223 1056 1 056 1014 898 440 A209, Grado T1 A209, Grado T1a A209, Grado T1b A204, Grado A A204, Grado B A204, Grado C A182, Grado F1 A336, Grado F1 Forjas Si el tratamiento térmico posterior no puede ser practicado a la temperatura de relevado, es permitido aplicarlo a temperaturas más bajas; pero con mayor tiempo de duración. Cuando la temperatura mínima de relevado se reduce en 10 ºC, el tiempo de duración deberá ser dos horas por pulgada (25 mm) de espesor, tres horas cuando la reducción sea de 38 ºC y cinco horas por pulgada (25 mm) de espesor si la reducción fuera de 66 ºC. El relevado de esfuerzos no es obligatorio para espesores hasta 5/8" (16 mm). Siempre que las condiciones de operación lo permitan evitando corrosión por esfuerzos y restricciones mecánicas. El tratamiento térmico posterior no es obligado para soldaduras circunferenciales en tuberías con espesor nominal de ½" (13 mm) o menor y 0.25% de carbón máximo. Recomendaciones para la soldadura de aceros carbón- ½ molibdeno a aceros: ½ Cromo-½ molibdeno ( ½ Cr–½ Mo) 1 cromo–½ molibdeno Ing. IFT Electrodos clasificación AWS E7015, 16, 18. Precalentar a 149-3l5 ºC. Relevar esfuerzos a 620-675 ºC, 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor, una hora mínimo. Cuando no se desea aplicar relevado de esfuerzos se pueden utilizar electrodos AWS E31015, l6 o E3l0Cb-l5, l6; cuando la temperatura de operación sea de 426 ºC o mayor, se recomiendan electrodos AWS ENi Cr Fe-3 y ENi Cr Fe-2. Lo mismo que para aceros ½ cromo – ½ molibdeno. 27 (1 Cr- ½ Mo) 1¼ cromo-½ molibdeno Lo mismo que para aceros ½ cromo- ½ molibdeno. (1¼ Cr-½ Mo) 2¼ cromo-l molibdeno Electrodos AWS E7015, 16,18. Precalentar a 149-3l5 ºC. Relevar esfuerzos a 734 ºC, una (2¼ Cr-l Mo) hora por pulgada (25 mm) de espesor dos horas mínimo. Enfriar uniformemente a 65 ºC por hora máximo hasta 593 ºC; abajo de 593 ºC enfriar al aire si el lugar está cubierto. Cuando no se desea aplicar relevado de esfuerzos se pueden utilizar electrodos AWS E31015, 16; E3l0Cb-15, 16; cuando la temperatura de operación sea de 426 ºC o mayor, se recomiendan electrodos AWS ENi Cr Fe-3; ENi Cr Fe-2. 3 cromo-l molibdeno Lo mismo que para aceros 2¼ cromo-1 molibdeno. (3 Cr-l Mo) 5 cromo-½ molibdeno Lo mismo que para aceros 2¼ cromo-1 molibdeno. (5 Cr-l/2 Mo) 18 cromo-8 níquel Electrodos clasificación AWS E309-15, 16; E3O9Cb-15, 16. Precalentar a 38 ºC si la (18 Cr-8 Ni) temperatura del aire es menor que 10 ºC o el espesor del material excede de 3/4"(19 mm). Tipo 304 Si la temperatura de operaciones de 426 ºC o mayor, se recomiendan electrodos AWS ENi Cr Fe-3; ENi Cr Fe-2. 18 cromo-8 níquel Ti Electrodos AWS E309-l5, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor (18 Cr-8 Ni Ti) que 10 ºC o el espesor del material excede de ¾" (19 mm). Tipo 321 Si se presentan problemas de soldabilidad con los metales base, o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, es recomendable utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3; ENi Cr Fe-2. 18 cromo-8 níquel Cb Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel Ti. (18 Cr-8 Ni Cb) Tipo347 18 cromo-8 níquel Mo Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (l8 cromo-8 Ni-Mo) Tipo 316 25 cromo-12 níquel Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (25 Cr-12 Ni) Tipo309 25 carbono-20 níquel Electrodos AWS E309-15, 16; E3l0-15, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire (25 Cr-20 Ni) es menor que 10 ºC, o el espesor del material excede de ¾”, (19 mm). Tipo 310 Si se presentan problemas de soldabilidad con los metales base o la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, es recomendable utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3. Las recomendaciones para la soldadura de estos aceros a aceros bajo carbón y medio carbón aparecen en cada uno de estos aceros en el renglón correspondiente a carbón- ½ molibdeno (C–½ Mo). Ing. IFT 28 ACEROS ½ CROMO – ½ MOLIBDENO ACEROS AISI – 4140 ACEROS 1 CROMO – ½ MOLIBDENO ACEROS 1¼ CROMO – ½ MOLIBDENO ACEROS 2¼ CROMO – 1 MOLIBDENO ACEROS 3 CROMO – 1 MOLIBDENO ACEROS 5 CROMO – ½ MOLIBDENO Ing. IFT 29 3 ACEROS CROMO MOLIBDENO 3.1 ACEROS 1/2 CROMO-1/2 MOLIBDENO Se consideran aceros ½ cromo- ½ molibdeno todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM - A 335; Grado P2 ASTM-A 213, Grado T2 ASTM - A 387, Grado A ASTM-A 182, Grado F2 Tubería sin costura para alta temperatura. Tubos o fluses sin costura para calderas. Placas para recipientes a presión. Conexiones y válvulas forjadas o roladas. Composición química en porciento: Carbón Manganeso Silicio Cromo Molibdeno Fósforo Azufre (C) (Mn) (Si) (Cr) (Mo) (P) (S) 0.10-0.20 0.30-0.6l 0.10-0.30 0.50-0.8l 0.44-0.65 0.045 máx. 0.045 máx. Aplicaciones La adición de ½% cromo, se complementa con ½% molibdeno al minimizar la grafitización hasta 510 ºC, por lo que estos aceros pueden trabajar con seguridad a esta temperatura en fluseria para calderas, envolventes de recipientes a presión, calentadores de fuego directo, zonas dc convección en reformadores primarios de plantas de amoniaco y hornos de pirolisis en plantas de etileno. Trabajo en caliente Por la alta resistencia que presentan cuando se operan a temperaturas elevadas, los aceros deben ser doblados o rolados a 927-982 ºC. El forjado, suajeado o recalcado a 1 09l-1 204 ºC. Después del trabajo en caliente debe relevarse esfuerzos a 648-704 ºC, o normalizar a 899 ºC. Temperatura ºC 27 149 260 371 482 593 704 815 TABLA 3.1 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -RECOCIDOResistencia Resistencia Alargamiento Reducción a la cedencia a la tensión en % para 2" del área Kg/cm2* Kg/cm2 (50 mm) en % 2 866 4 760 30 65 2 408 4 817 23 61 2 211 4 803 21 59 2 000 4 732 22 60 1 768 4 324 28 65 1 415 3 028 40 75 1 021 1 408 55 88 -----437 62 80 * A 0.2% de deformación permanente. Ing. IFT 30 Temperatura ºC 27 149 260 371 482 TABLA 3.2 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -NORMALIZADO Y TEMPLADOResistencia Resistencia Alargamiento Reducción a la cedencia a la tensión en % para 2” del área Kg/cm2 (50 mm) en % Kg/cm2* 3 521 5 422 27 60 2 993 5 845 21 56 2 782 5 972 21 49 2 535 5 493 25 60 2 218 4 437 34 75 * A 0.2% de deformación permanente. TABLA 3.3 PROPIEDADES CARACTERISTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -RECOCIDOEsfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad Esfuerzo (Kg/cm2) de deformación plástica de: de ruptura en: Temperatura 0.000l % / hora 0.0000l % / hora 1 000 10 000 l00 000 ºC (1% en 10 000 (1 % en 100 000 horas horas horas horas) horas) 482 2 676 1 577 3 697 3 169 2 746 538 845 479 2 366 1 549 1 014 593 260 113 887 634 451 648 ----------422 225 120 704 ----------197 70 ------760 ----------70 14 ------Soldadura Para trabajo pesado, estos aceros pueden soldarse con electrodos de 1¼ Cr–½ Mo (E80XX-B2) con bajo contenido de hidrógeno, clasificación AWS A 5.5; para servicio ligero se pueden utilizar electrodos ½ Cr–½ Mo (E80XX-B 1) con bajo contenido de hidrógeno. Se debe aplicar precalentamiento y tratamiento térmico posterior. Para espesores hasta de 1" y 0.15% de carbón, es recomendable dar precalentamiento y mantener una temperatura de interpasos de 38-93 ºC; para espesores mayores que 1" y contenido de carbón arriba de 0.15%, el precalentamiento y la temperatura de interpasos deberán ser entre l49-204 ºC. Se recomienda golpetear con martillo entre cordón y cordón de soldadura. El relevado de esfuerzos se aplicará a 620-734 ºC, seguido de un enfriamiento al aire. Cuando el relevado de esfuerzos no puede ser aplicado a la temperatura deseada, es permitido hacerlo a temperatura más baja dando más tiempo de duración. Si la temperatura mínima de relevado es 10 ºC más baja, la duración deberá ser de dos horas por pulgada de espesor; tres horas para 38 ºC y de cinco horas por pulgada de espesor si la temperatura es 66 ºC más baja. El relevado de esfuerzo no es obligatorio para espesores hasta de 5/8" (16 mm), cuando el trabajo de soldadura se haya efectuado con un precalentamiento y temperatura de interpasos sostenidos. Lo mismo es aplicable en soldadura de tuberías hasta de 1/2" (13 mm) de espesor y contenido de carbón no mayor al 0.25%. Ing. IFT 31 TABLA 3.4 ESFUERZO DE TENSIÓN MAXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS. ACEROS 1/2 CROMO-1/2 MOLIBDENO Descripción Resistencia Esfuerzo (Kg/cm2) de tensión máximo a la tensión permitido, temperatura del metal en ºC mín. -29a 371 426 Kg/cm2 343 A 335, Grado P2 Tubería 3 873 968 968 947 sin costura A 213, Grado T2 Tubos o fluses 4 225 1 056 1 056 1 014 sin costura A 387,GradoA Placas 4 577 1 144 1 144 1 102 Especificación ASTM 482 538 880 440 880 440 880 440 Recomendaciones para la soldadura de aceros ½ cromo – ½ molibdeno a otros aceros. 1 cromo – ½ molibdeno (1 Cr-½ Mo) Electrodos clasificación AWS E80I5-B2, 16, 18. Precalentar a 149-315 ºC. Relevar esfuerzos a 734 ºC, 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor, dos horas mínimo. Enfriar uniformemente a 65 ºC por hora máximo hasta 593 ºC, abajo de esta temperatura se puede enfriar al aire si el lugar está cubierto. Si no se desea aplicar relevado de esfuerzos se pueden utilizar electrodos AWS E310-15, 16; E310Cb-15, 16. Cuando la temperatura de operación sea de 426 ºC o mayor, se recomiendan electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. 1¼ cromo–½ molibdeno Lo mismo que para aceros 1 cromo–½ molibdeno. (1¼ Cr–½ Mo) 2¼ cromo-1 molibdeno Lo mismo que para aceros 1 cromo–½ molibdeno. (2¼ Cr-1 Mo) 3 cromo-l molibdeno Lo mismo que para aceros 1 cromo–½ molibdeno. (3 Cr-1 Mo) 5 cromo–½ molibdeno Lo mismo que para aceros 1 cromo–½ molibdeno. (5 Cr–½ Mo) 18 cromo-8 níquel Electrodos clasificación AWS E309-15, 16; E309Cb-l5, 16; E310-l5, 16; E310Cb-l5, 16. (18 Cr-8 Ni) Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que 10 ºC o el espesor del material Tipo 304 excede de 3/4" (19 mm). Cuando la temperatura de operación es de 426 ºC o. mayor, se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi-Cr Fe-2. 18 cromo-8 níquel-Ti Electrodos AWS E309-15, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que (18 Cr-8 Ni-Ti) 10 ºC o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Tipo 321 Si se presentan problemas de soldabilidad con los metales base, o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, es recomendable usar electrodos clasificación AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. 18 cromo-8 níquel-Cb Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (18 Cr-8 Ni-Cb) Tipo 347 18 cromo-8 níquel-Mo (18 Cr-8 Ni-Mo) Tipo3l6 25 cromo-12 níquel (25 Cr-12-Ni)Tipo 309 25 cromo-20 níquel (25 Cr-20 Ni) Tipo 310 Ing. IFT Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. Electrodos AWS E309-15, 16; E310-15, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que 10 ºC, o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Si se presentan problemas de soldabilidad con los metales base o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. 32 Las recomendaciones para la soldadura de estos aceros con aceros bajo carbón, medio carbón y carbón – ½ molibdeno, aparecen en cada uno de estos aceros en el renglón correspondiente a ½ cromo–½ molibdeno(½Cr–½ Mo). 3.2 ACEROS AISI-4140 Se consideran aceros AISI-4140 los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 519, Grado 4140 Tubos mecánicos sin costura. ASTM-A 193, Grado B7 4140,4142,4145 Tornillería para alta temperatura. ASTM-A 194, Grado 7 4140,4142,4145 Tuercas para alta temperatura. Composición química en porciento: Carbón (C) Manganeso(Mn) Fósforo(P) Azufre(S) Silicio(Si) Cromo(Cr) Molibdeno(Mo) 0.38-0.43 0.75-1.00 0.035 máx. 0.040 máx. 0.20-0.35 0.88-1.l0 0.15-0.25 Aplicaciones La aplicación más común para este grado de acero es para tornillería de equipo en refinación y petroquímica que opera a temperatura moderadamente elavada. Su resistencia a la oxidación y a la corrosión es ligeramente mayor que la del acero al carbón. La temperatura máxima de operación recomendada es de 538 ºC. Los grados 4142 y 4145, con un contenido de carbón ligeramente más alto, también son utilizados en tornilleria pera alta temperatura. Trabajo en caliente El forjado debe hacerse a 927-1 204 ºC. Si se requiere aplicar recocido, hágase a 843 ºC. Temperatura ºC 27 149 260 371 482 593 648 TABLA 3.5 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Resistencia Resistencia Alargamiento Reducción a la cedencia a la tensión en % para 2" del area Kg/cm2 (50 mm) en % Kg/cm2* 7 887 9 014 17 61 7 394 8 944 18 62 6 901 8 732 19 64 6 268 8 028 21 69 5 070 6 479 23 82 2 042 4 014 25 85 775 2 465 32 83 * A 0.2% de deformación permanente. Ing. IFT 33 TABLA 3.6 PROPlEDADES CARACFERÍSTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad de Esfuerzo (Kg/cm2) deformación plástica de: de ruptura en: Temp. 0.0001%/ hora 0.00001%/hora 1 000 10000 l00 000 ºC (1% en 10 000 (1 % en 100 000 horas horas horas horas) horas) 426 3 098 1 021 ----------------482 1 268 528 3 345 -----------538 422 176 ----------------Soldadura Se recomienda aplicar electrodos con bajo contenido de hidrógeno con la resistencia apropiada. El precalentamiento es necesario, y el tratamiento térmico posterior puede requerirse de acuerdo a la aplicación a la que se vaya a someter. En caso de no ser aplicado, se deberá precalentar y mantener una temperatura de interpasos de 315 ºC mínimo, seguido de un enfriamiento lento. Cuando se aplique tratamiento térmico posterior se debe dar precalentamiento y mantener una temperatura de interpasos de 204 ºC mínimo, al terminar de soldar, inmediatamente colóquese la pieza en el horno y aplíquese el tratamiento a 593-675 ºC y enfríese lentamente. 3.3 ACEROS 1 CROMO-1/2 MOLIBDENO Todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 335, Grado P12 ASTM-A 213, Grado T12 ASTM-A 387, Grado B ASTM-A 182. Grado F12 ASTM-A 336, Clase F12 Tubería sin costura para alta temperatura. Tubos o fluses sin costura para calderas. Placas para recipientes a presión. Conexiones y válvulas forjadas o roladas. Forjas para recipientes a presión. Composición química en porciento: Carbón (C) 0.15 máx. Manganeso(Mn) 0.30-0.61 Silicio(Si) 0.50 máx. Cromo(Cr) 0.80-1.25 Molibdeno(Mo) 0.44-0.65 Fósforo(P) 0.045 máx. Azufre(S) 0.045 máx. TABLA 3.7 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA –RECOCIDOTemperatura Resistencia Resistencia Alargamiento Reducción ºC a la cedencia a la tensión en % para 2" del área (50 mm) en % Kg/cm2 Kg/cm2* 27 2 500 5 070 38 72 149 2 232 5 000 31 68 260 2 141 4 929 28 65 371 2 056 4 719 30 67 482 1 915 4 507 29 70 593 1 549 3 134 35 75 704 739 1 408 60 80 815 211 422 65 85 * A 0.2% de deformación permanente. Ing. IFT 34 TABLA 3.8 PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -NORMALIZADO Y TEMPLADOTemperatura Resistencia Resistencia Alargamiento ºC a la cedencia a la tensión en % para 2" Kg/cm2* Kg/cm2 (50mm) 27 3 697 5 676 27 149 3 591 5 563 23 260 3 310 5 352 22 371 2 887 5 070 23 482 2 465 4 718 25 Reducción del área en % 60 55 56 58 68 * A 0.2% de deformación permanente. Aplicaciones Las propiedades y aplicaciones a alta temperatura son semejantes a las de ½ cromo–½ molibdeno; pero con contenido más alto de cromo la resistencia a la corrosión y a la oxidación es mayor, la grafitización no se observa en estos aceros y su comportamiento es mejor. Trabajo en caliente Los trabajos en caliente se desarrollan en la misma forma que para los de ½ cromo–½ molibdeno; pero por su endurecimiento al aire, es necesario aplicar un tratamiento térmico de recocido o templado después del forjado o doblado; la velocidad de enfriamiento deberá ser de 10 ºC por hora máximo, hasta alcanzar 593 ºC. Soldadura Se recomienda utilizar electrodos del tipo 1¼ Cr–½ Mo (E-8OXX-B2) con bajo contenido de hidrógeno, especificación AWS A 5.5. Son necesarios el precalentamiento y relevado de esfuerzos. Se recomiende un precalentamiento y una temperatura de interpasos de 38 ºC para espesores hasta de ½" (13 mm), 93-149 ºC con espesores de ¾" (19 mm) y mayores. Es favorable golpetear con martillo entre cordón y cordón de soldadura. TABLA 3.9 PROPIEDADES CARACTERISTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -RECOCIDOEsfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad de Esfuerzo (Kg/cm2) deformación plástica de: de ruptura en: Temperatura 0.0001% / hora 0.00001% / hora 1 000 10 000 100 000 ºC (1% en 10 000 (1% en 100 000 horas horas horas horas) horas) 482 1 606 1 056 2 929 2 535 2 218 538 845 451 1 901 1 479 739 593 387 169 929 519 324 648 169 70 394 183 91 704 70 ------204 63 ------ Ing. IFT 35 TABLA 3.10 ESFUERZO DE TENSIÓN MÁXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS. ACEROS 1 CROMO-1/2 MOLIBDENO Especificación ASTM A 335. Grado P12 A 213. Grado T12 A 317, Grado B A 182, Grado F 12 A 336. Cl F12 Descripción Resistencia a la tensión mín.Kg/cm2 Tubería sin 4 225 costura Tubos o fluses sin 4 225 costura Placas 4 225 Forjas 4 929 Esfuerzo (Kg/cm2) de tensión máximo permitido, temperatura del metal en ºC: -29a 371 426 412 538 343 1 056 1 056 1 039 922 528 1 056 1 056 1 039 922 528 1 056 1 056 1 039 922 528 ------ 1 137 1 046 922 528 El relevado de esfuerzos debe aplicarse a temperaturas de 620-734 ºC seguido de enfriamiento al aire. El relevado de esfuerzos no es obligatorio para soldaduras a tope de tuberías con diámetro nominal de 4” (100 mm), con espesores de pared hasta de ½" (13 mm) y 0.15% de carbón máximo y el trabajo se desarrolle con precalentamiento y temperatura de interpasos mínima dc 121 ºC. Recomendaciones para la soldadura de aceros 1 cromo-l/2 molibdeno con aceros: 1 cromo–½ molibdeno (1 Cr-l/2 Mo) Electrodos clasificación AWS E8015-B2, 16, 18. Precalentar a l49-315 ºC. Relevar esfuerzos a 734 ºC, 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor; dos horas mínimo. Enfriar uniformemente a 65 ºC por hora máximo hasta 593 ºC, debajo de esta temperatura puede ser enfriado al aire si el lugar está cubierto. Cuando no se desea aplicar relevado de esfuerzos, se pueden utilizar electrodos AWS 31015, 16; E310Cb-l5, 16. Cuando la temperatura de operación sea de 426 ºC o mayor, se recomiendan electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. l¼ cromo–½ molibdeno Lo mismo que para aceros l cromo-½ molibdeno. (1¼ Cr–½ Mo) 2¼ cromo-l molibdeno Lo mismo que para aceros l cromo-½ molibdeno. (2¼ Cr-l Mo) 3 cromo- 1 molibdeno Lo mismo que para aceros l cromo-½ molibdeno. (3 Cr-l Mo) 5 cromo-½ molibdeno Lo mismo que para aceros l cromo-½ molibdeno. (5 Cr–½ Mo) 18 cromo-8 níquel Electrodos clasificación AWS E309-15, 16; E309Cb-15, 16; E310-l5, 16; E310Cb-15, 16. (18 Cr-8 Ni)Tipo 304 Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que 10 ºC, o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Cuando la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor. Se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. 18 cromo-8 níquel-Ti Electrodos AWS E309-l5, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que (18 Cr-8 Ni-Ti) Tipo 321 10 ºC o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Si se presentan problemas de soldabilidad con los metales base, o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, es recomendable usar electrodos clasificación AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. 18 cromo-8 níquel-Cb Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (18 Cr-8 Ni Cb)Tipo 347 18 cromo-8 níquel-Mo Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (18 Cr-8 Ni Mo)Tipo 316 25 cromo-12 níquel Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (25 Cr-12 Ni)Tipo 309 25 cromo-20 níquel Electrodos AWS E309-15, l6;E315, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es (25 Cr-20 Ni)Tipo 310 menor que 10 ºC o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Ing. IFT 36 Si se presentan problemas de soldabilidad con los metales base o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. Las recomendaciones para la soldadura de estos aceros con aceros bajo carbón, medio carbón, carbón–½ molibdeno y ½ cromo–½ molibdeno, aparecen en cada uno de estos aceros en el renglón correspondiente a 1 cromo–½ molibdeno (l Cr–½ Mo). 3.4 ACEROS 1 1/4 CROMO-1/2 MOLIBDENO Se consideran de este tipo todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 335. Grado P11 ASTM-A 213, Grado T11 ASTM-A 200. Grado T11 ASTM-A 199, Grado T11 ASTM-A 387, Grado C ASTM-A 182, Grado F11 Tubería sin costura para alta temperatura. Tubos o fluses sin costura para calderas. Tubos sin costura para calentadores de fuego directo en refinerías. Tubos sin costura pura intercambiadores de calor. Placas para recipientes a presión. Conexiones y válvulas forjadas o roladas. Composición química en porciento: Carbón (C) 0.15 máx. Manganeso(Mn) 0.30-0.60 Silicio(Si) 0.50-1.00 Cromo(Cr) 1.00-1.50 Molibdeno(Mo) 0.44-0.65 Fósforo(P) 0.030 máx. Azufre(S) 0.030 máx. TABLA 3.11 PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE TENSIÓN A, DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -RECOCIDOTemperatura Resistencia ºC a cedencia Kg/cm2 27 2 500 149 2 232 260 2 141 371 2 056 482 1 915 593 1 563 704 775 Resistencia a la tensión Kg/cm2 5 070 5 000 4 929 4 789 4 507 3 098 1 268 Alargamiento en % para 2" (50 mm) 38 31 28 30 29 34 57 Reducción del área en % 72 68 65 67 70 80 93 * A 0.2% de deformación permanente. Ing. IFT 37 TABLA 3.11 PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -NORMALIZADO Y TEMPLADOTemperatura Resistencia Resistencia Alargamiento ºC a la cedencia a la tensión en % pura 2" Kg/cm2* Kg/cm2 (50 mm) 27 3 697 5 676 27 149 3 591 5 563 23 260 3 310 5 352 22 371 2 887 5 070 23 412 2 465 4 718 25 Reducción del área en % 60 55 56 51 61 * A 0.2% de deformación permanente. TABLA 3.13 PROPIEDADES CARACÍERISTICAS A LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -RECOCIDO-. Temperatura ºC 412 531 593 641 704 760 Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad de deformación plástica de: 0.0001% / hora 0.00001% / hora (1% en 10 000 (1% en 100 000 horas) horas) 1 606 1 056 845 451 387 169 169 70 70 ------------------- Esfuerzo (Kg/cm2) de ruptura en: 1 000 10 000 100 000 horas horas horas 2 929 1 901 929 394 204 14 2 535 1 479 549 183 63 ------- 2 218 739 324 91 ------------- Aplicaciones La temperatura máxima de operación recomendada es la misma que para los aceros 1 cromo–½ molibdeno, 510 ºC; las propiedades mecánicas en gran parte permanecen sin cambio; la grafitización no se observa en este tipo de acero; de ahí su aplicación frecuente en tubos para calderas, sobrecalentadores, intercambiadores de calor, calentadores de fuego directo, envolventes dc recipientes a presión, etcétera. Trabajo en caliente El trabajo en caliente se desarrolla en la misma forma que para el tipo 1 Cr–½ Mo, teniendo cuidado de aplicar un tratamiento térmico de recocido o templado después del forjado o doblado, el enfriamiento deberá tener una velocidad de 10 ºC por hora hasta alcanzar una temperatura de 593 ºC. Soldadura Para soldar estos aceros se pueden utilizar electrodos con bajo contenido de hidrógeno 1¼ Cr–½ Mo (E8015, 16, 18-B2) o 2¼ Cr-1 Mo(E9015, 16, 18-B3), clasificación AWS A 5.5. El precalentamiento y el relevado de esfuerzos es necesario y debe aplicarse en la misma forma que para el grado 1 Cr–½ Mo. Ing. IFT 38 TABLA 3-14 ESFUERZO DE TENISIÓN MAXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS. ACEROS 1 ¼ CROMO-1/2 MOLIBDENO Especificación ASTM A 335, Grado P11 A 213, Grado T11 A 199, Grado T11 A 387, Grado C A 182, Grado F11 Descripción Tuberías sin costura Tubos o fluses sin costura Placas Forjas Resistencia a la tensión mín. Kg/cm2 343 4 225 Esfuerzo (Kg/cm2) de tensión máximo permitido, temperatura del metal en ºC. -29a 371 426 482 538 1 056 1 056 1 056 922 549 4 225 1 856 1 056 1056 922 549 4 225 4 929 1 056 ------ 1 056 1 137 1 056 1 056 922 922 549 549 Recomendaciones para la soldadura de aceros 1¼ cromo–½ molibdeno con aceros: 2¼ cromo-l molibdeno (2 ¼Cr-1 Mo) 3 cromo-l molibdeno (3 Cr-1 Mo) 5 cromo–½ molibdeno (5 Cr–½ Mo) 18 cromo-8 níquel (18 Cr-8 Ni)Tipo 304 Electrodos clasificación AWS E8015-B2, 16, 18. Precalentar a 149-315 ºC. Relevar esfuerzos a 734 ºC, 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor, dos horas mínimo. Enfriar uniformemente a 65 ºC por hora máximo hasta 593 ºC, abajo de esta temperatura puede ser enfriado al aire si el lugar esta cubierto. Cuando no se desea aplicar relevado de esfuerzos, se pueden utilizar electrodos AWS E31015, 16; E310Cb-15, 16. Cuando la temperatura de operación sea de 426 ºC o mayor, se recomiendan electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. Lo mismo que para aceros 2¼ cromo-1 molibdeno. Lo mismo que para aceros 2¼ cromo-1 molibdeno. Electrodos clasificación AWS E309-15, 16; E309Cb-15, 16; E310-l5, 16; E310Cb-15, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que 10 ºC, o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Cuando la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor. Se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENicr Fe-2. 18 cromo-8 Níquel-Ti Electrodos AWS E309-l5, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que (18 Cr-8 Ni-Ti) Tipo 321 10 ºC o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Si se presentan problemas de soldabilidad con los metales base, o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, es recomendable usar electrodos clasificación AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. 18 cromo-8 níquel-Cb Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (18 Cr-8 Ni Cb)Tipo 347 18 cromo-8 níquel-Mo Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (18 Cr-8 Ni Mo)Tipo 316 25 cromo-12 níquel Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (25 Cr-12 Ni)Tipo 309 25 cromo-20 níquel Electrodos AWS E309-15, l6;E315, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es (25 Cr-20 Ni)Tipo 310 menor que 10 ºC o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Si se presentan problemas de soldabilidad con los metales base o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. Las recomendaciones para la soldadura de estos aceros con aceros bajo carbón, medio carbón, carbón–½ molibdeno, ½ cromo–½ molibdeno y 1 cromo–½ molibdeno, aparecen en cada uno de estos aceros en el renglón correspondiente a 1¼ cromo–½ molibdeno (1¼ Cr–½ Mo). Ing. IFT 39 3.5 ACEROS 2 1/4 CROMO-1 MOLIBDENO Se consideran de este tipo todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 335. Grado P22 Tubería sin costura para alta temperatura. ASTM-A 213, Grado T22 Tubos o fluses sin costura para calderas. ASTM-A 200, Grado T22 Tubos sin costura para calentadores de fuego directo en refinerías. ASTM-A 199, Grado T22 Tubos sin costura para intercambiadores de calor. ASTM-A 387, Grado D Placas para recipientes a presión. ASTM-A 182, Grado F22 Conexiones y válvulas forjadas o roladas. ASTM-A 336, Clase F22, F2a.Forjas para recipientes a presión. Composición química en porciento: Carbón (C) Manganeso(Mn) Silicio (Si) Cromo (Cr) Molibdeno(Mo) Fósforo (P) Azufre (S) 0.15 máx. 0.30-0.60 0.50 máx. 1.90-2.60 0.87-1.13 0.030 máx. 0.030 máx. Aplicaciones Con el contenido de molibdeno más alto se mejoran sus propiedades de tensión y de plasticidad (Creep) respecto a los tipos de 1/2 Mo. Se pueden trabajar a temperaturas hasta de 579 ºC con resistencia moderada a la corrosión y oxidación. Temperatura ºC 27 149 260 371 482 593 704 TABLA 3.15 PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA –RECOCIDOResistencia Resistencia Alargamiento Reducción a la cedencia a la tensión en % para 2” del área Kg/cm2 (50 mm) en % Kg/cm2 * 2 782 5 070 33 65 2 521 4 929 26 60 2 429 4 718 21 55 2 394 4 521 20 50 1 972 4 225 22 60 1 127 2 887 35 65 -----l 549 60 85 * A 0.2% de deformación permanente. Ing. IFT 40 TABLA 3.16 PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -NORMALIZADO Y TEMPLADOTemperatura Resistencia Resistencia Alargamiento Reducción ºC a la cedencia a la tensón en % para 2” del área Kg/cm2* Kg/cm2 (50 mm) en % 27 4 225 5 810 23 65 149 3 944 5 493 22 57 260 3 556 5 246 21 52 371 3 239 4 929 19 49 482 2 887 4 613 21 66 * A 0.2% de deformación permanente. Trabajo en caliente El doblado en caliente debe hacerse a 954-1 010 ºC y el forjado a 1 093-1 204 ºC. Como estos aceros se endurecen al aire, deben ser templados a 704-760 ºC o recocidos con enfriamiento lento de 10 ºC por hora desde una temperatura de 871 ºC. TABLA 3.17 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA –RECOCIDOEsfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad Esfuerzo (Kg/cm2) de deformación plástica de: de ruptura en: Temperatura 0.0001%/ hora 0.00001%/ hora 1 000 10 000 100 000 (1% en 10 000 (1% en 100 000 horas horas horas horas) horas) 538 915 563 1 437 1 141 866 593 563 359 817 697 521 648 218 190 521 324 190 TABLA 3.18 ESFUERZO DE TENSIÓN MAXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS. ACEROS 2 1/4 CROMO-1 MOLIBDENO Especificación Descripción Resistencia Esfuerzo (Kg/cm2) de tensión máximo ASTM a la tensión permitido, temperatura del metal en ºC: mín. -29a 371 426 482 538 Kg/cm2 343 A 335, Grado P22 Tubería sin costura 4 225 1 056 l 056 1 056 922 549 A 213, Grado T22 Tubos o fluses A 199, Grado T22 sin costura 4 225 1 056 1 056 1 056 922 549 A 387,Grado D Placas 4 225 1 056 1 056 1 056 922 549 A 182, Grado F22 A 336, Grado F22 Forjas 4 929 1 232 1 232 1 232 986 549 Soldadura Este tipo de aceros pueden ser soldados con electrodos 2 1/4 Cr- 1 Mo (E9015, l6-B3) clasificación AWS A5.5 con bajo contenido de hidrógeno. Ing. IFT 41 Dependiendo del espesor del material, debe soldarse con precalentamiento y temperatura de interpasos a 93-204 ºC mínimo. El relevado de esfuerzos debe aplicarse a 675-734 ºC, seguido de un enfriamiento lento y controlado. El relevado de esfuerzos no es obligatorio en soldaduras a tope de tuberías en las siguientes condiciones: a) Con un máximo contenido de cromo de 3%. b) Diámetro exterior nominal de 4" (in o mm). c) Espesor máximo de 1/2" (13 mm). d) Con un contenido máximo de carbón de 0.15%. e) Precalentamiento mínimo de 149 ºC. Recomendaciones para la soldadura de aceros 2 1/4 cromo-1 molibdeno a aceros: 2¼ cromo-l molibdeno (2¼ Cr-1Mo) 3 cromo-1 molibdeno (3 Cr-l Mo) 5 cromo–½ molibdeno (5 Cr-l/2 Mo) 18 cromo-8 níquel (18 Cr-8 Ni) Tipo 304 18 cromo-8 níquel-Ti (l8 Cr-8 Ni-Ti) Tipo 321 Electrodos clasificación ,AWS E90l5-B3, 16, 18. Precalentar a 149-315 ºC. Relevar esfuerzos a 734 ºC, 1 hora por pulgada de espesor, dos horas mínimo. Enfriar uniformemente a 65 ºC por hora máximo hasta 593 ºC, abajo de esta temperatura se puede enfriar al aire cuando el lugar está cubierto. Cuando no se desea aplicar relevado de esfuerzos se pueden utilizar electrodos AWS E310-15, 16. Cuando la temperatura de operación es 426 ºC o mayor, se recomienda usar electrodos AWS ENí Cr Fe-3; ENi Cr Fe-2. Lo mismo que para aceros 2¼ cromo-1 molibdeno. Lo mismo que para aceros 2¼ cromo-1 molibdeno. Electrodos clasificación AWS E309-15, 16; E309Cb-l5, 16; E310-15, 16; E310Cb-15, 16; Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que 10 ºC, o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Cuando la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENI Cr Fe-2. Electrodos AWS E309-15, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que 10 ºC o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Si se presentan problemas de soldabilidad con los metales base, o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, es recomendable usar electrodos clasificación AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. 18 cromo-8 níquel-Cb (18 Cr-8 Ni-Cb) 18 cromo-8 níquel-Mo Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (18 Cr-8 Ni-Mo)Tipo 316 25 cromo-12niquel Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (25 Cr-12 Ni)Tipo 309 25 cromo-20 níquel Electrodos AWS E309-15, 16; E310-15, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire (25 Cr-20 Ni) es menor que 10 ºC o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Si se presentan probleTipo 310 mas de soldabilidad con los metales base o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. Las recomendaciones para la soldadura de estos aceros con aceros bajo carbón, medio carbón, carbón–½ molibdeno, ½ cromo–½ molibdeno, l cromo–½ molibdeno y 1¼ cromo–½ molibdeno, aparecen en cada uno de estos aceros en el renglón correspondiente a 2¼ cromo-l molibdeno (2¼ Cr-1 Mo). 3.6 ACEROS 3 CROMO-1 MOLIBDENO Se consideran de este tipo todos los comprendidos en las siguientes especificaciones Ing. IFT 42 ASTM-A 335, Grado P21 Tubería sin costura para alta temperatura. ASTM-A 213, Grado T21 Tubos o fluses sin costura para calderas. ASTM-A 200. Grado T21 Tubos sin costura para calentadores de fuego directo en refinerías. ASTM-A 199, Grado T21 Tubos sin costura para intercambiadores de calor. ASTM-A 387. Grado E Placas para recipientes a presión. ASTM-A l82. Grado F21 Conexiones y válvulas forjadas o roladas. ASTM-A 336, Clase F21, F21a Forjas para recipientes a presión. Composición química en porciento: Carbón (C) Manganeso(Mn) Silicio (Si) Cromo (Cr) Molibdeno(Mo) Fósforo (P) Azufre (S) 0.15 máx. 0.30-0.60 0.50 máx. 2.65-3.35 0.80-1.06. 0.030 máx. 0.030 máx. Aplicaciones La combinación de 3 Cr-l Mo proporciona una resistencia a la deformación plástica equivalente a la de los aceros 2 1/4 Cr-1 Mo, pero con mejor resistencia a la oxidación con temperaturas de operación hasta de 649 ºC. Su aplicación es satisfactoria en calderas, calentadores de fuego directo, intercambiadores de calor, zonas de convección en reformadores y hornos de pirolisis de plantas de amoniaco y etileno. Temperatura ºC 27 149 200 371 482 593 704 TABLA 3.19 PROPIEDADES CARACTERISTlCAS DE TENSION A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -RECOCIDOResistencia Resistencia Alargamiento Reducción a la cedencia a la tensión en % para 2" del área Kg/cm (50 mm) en % Kg/cm2* 2 782 5 070 33 65 2 345 4 613 30 75 2 296 4 401 33 77 2 225 4 190 31 75 1 831 3 768 40 82 1 127 2 746 60 85 ------1 197 62 92 * A 0.2% de deformación permanente. Trabajo en caliente El doblado en caliente debe hacerse a 954-1 010 ºC; el forjado a 1 091-1 204 ºC. Puesto que este tipo de aceros se endurecen al aire al enfriarse desde la temperatura de trabajo en caliente, deben ser templados a 704-760 ºC o recocidos con un enfriamiento lento desde 871 ºC. Ing. IFT 43 Temperatura ºC 27 149 260 371 482 Temperatura ºC 482 538 593 648 734 TABLA 3.21 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -NORMALIZADO Y TEMPLADOResistencia Resistencia Alargamiento Reducción la cedencia a la tensión en % para 2” del área Kg/cm2 (50 mm) en % Kg/cm2 4 225 5 810 23 65 3 944 5 493 22 57 3 556 5 246 21 52 3 239 4 929 19 49 2 887 4 613 21 66 TABLA 3.21 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS A LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA -RECOCIDO Esfuerzo (Kg/cm2) Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad de deformación plástica de: de ruptura 0.0001% / hora 0.0000l% / hora 1 000 10 000 100 000 (1% en 10 000 (1% en 100 000 horas horas horas horas) horas) 1 422 1 225 2 253 1 803 1 444 739 606 1 268 1 035 831 422 310 753 535 380 211 106 500 282 225 ----------246 ------- ------- Especificación ASTM A 335, Grado P21 A 213, Grado T21 A 199, Grado T2I A 387, Grado E A 182, Grado F21 TABLA 3.22 ESFUERZO DE TENSIÓN MÁXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS. ACEROS 3 CROMO-1 MOLIBDENO Descripción Resistencia Esfuerzo (Kg/cm2) de tensión máximo a la tensión permitido, temperatura del metal en ºC: mín. Kg/cm2 -29a 371 426 482 538 343 Tubería sin costura 4 225 l 056 1 042 979 845 Tubos fluses sin costura 4 225 1 056 1 042 979 845 Placa 4 225 1 056 1 042 979 845 Forjas 4 929 -----1 063 979 845 493 493 493 493 Soldadura Pueden ser soldados con electrodos con bajo contenido de hidrógeno del tipo 2¼ Cr-1 Mo (E9015, 16, 18-B3) especificación AWS A 5.5. Se requiere aplicar y conservar un precalentamiento y una temperatura de interpasos de 93 ºC. Posteriormente debe hacerse relevado de esfuerzos a 704-760 ºC, seguido de un enfriamiento lento y controlado. El relevado de esfuerzos no es obligatorio en soldadura a tope de tuberías en las siguientes condiciones: a) Contenido máximo de cromo, 3% b) Diámetro exterior nominal 4" (100 mm). c) Espesor máximo 1/2" (13 mm). d) Contenido máximo de carbón, 0.15% e) Precalentamiento mínimo sostenido de 149 ºC. Ing. IFT 44 Recomendaciones para la soldadura de aceros 3 cromo-1 molibdeno con aceros: 5 cromo–½ molibdeno (5 Cr-l/2 Mo) 18 cromo-8 níquel (18 Cr-8 Ni) Tipo 304 18 cromo-8 níquel-Ti (l8 Cr-8 Ni-Ti) Tipo 321 Electrodos clasificación AWS E502-15, 16. Precalentar a 149-315 ºC. Relevar esfuerzos a 734 ºC, 1 hora por pulgada (25mm) de espesor, dos horas mínimo. Enfriar uniformemente a 65 ºC por hora hasta 593 ºC. abajo de esta temperatura se puede enfriar al aire si el lugar está cubierto. Cuando no se desea relevar esfuerzos, se pueden utilizar electrodos AWS E310-15,16; y cuando la temperatura de operación sea de 426 ºC o mayor se recomiendan electrodos AWS ENi CrFe-3, ENi Cr Fe-2. Electrodos clasificación AWS E309-15, 16; E309Cb-l5, 16; E310-15, 16; E310Cb-15, 16; Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que 10 ºC, o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm).Cuando la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENI Cr Fe-2. Electrodos AWS E309-15, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que 10 ºC o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Si se presentan problemas de soldabilidad con los metales base, o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, es recomendable usar electrodos clasificación AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. 18 cromo-8 níquel-Cb (18 Cr-8 Ni-Cb)Tipo 347 18 cromo-8 níquel-Mo Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (18 Cr-8 Ni-Mo)Tipo 316 25 cromo-12niquel Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (25 Cr-12 Ni)Tipo 309 25 cromo-20 níquel Electrodos AWS E309-15, 16; E310-15, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire (25 Cr-20 Ni) es menor que 10 ºC o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Si se presentan proble Tipo 310 mas de soldabilidad con los metales base o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. Las recomendaciones para la soldadura de estos aceros con aceros bajo carbón, medio carbón, carbón- 1/2 molibdeno, 1/2 cromo-1/2 molibdeno, 1 cromo-l/2 molibdeno, 11/4 cromo-1/2 molibdeno y 21/4 cromo-l molibdeno, aparecerán en cada de estos aceros en el renglón correspondiente a 3 cromo-1 molibdeno (3 Cr-1 Mo). 3.7 ACEROS 5 CROMO-1/2 MOLIBDENO Todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 335, Grado P5 ASTM-A 213, Grado T5 ASTM-A 200, Grado T5 ASTM-A 199, Grado T5 ASTM-A 357 ASTM-A 182, Grado F5, F5a ASTM-A 473, Tipo 501,502 Tubería sin costura para alta temperatura. Tubos sin costura para calderas. Tubos sin costura para calentadores de fuego directo en refinerías. Tubos sin costura para intercambiadores de calor. Placas para recipientes a presión. Conexiones y válvulas forjadas o roladas. Forjas para alta temperatura. Composición química en porciento: Carbón (C) Manganeso(Mn) Silicio (Si) Cromo (Cr) Molibdeno(Mo) Fósforo (P) Azufre (S) Ing. IFT 0.15 máx. 0.30-0.60 0.50 máx. 4.0-6.0 0.45-0.65 0.030 máx. 0.030 máx. 45 TABLA 3.23 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura Resistencia Resistencia Alargamiento Reducción ºC a la cedencia a la tensión en % para 2” del área Kg/cm2* Kg/cm2 (50 mm) en % 27 2 183 4 929 35 75 149 2 091 4 437 37 78 260 1 90l 4 120 33 77 371 1 690 3 951 29 74 412 1 317 3 627 35 78 593 l 021 2 324 41 83 704 669 1 232 45 85 815 ------634 50 87 * A 0.2% de deformación permanente. Temperatura ºC 426 482 538 593 648 704 760 815 TABLA 3-24 PROPIEDADES CARACTERISTICAS A LA DEFORMAC1ÓN PLÁSTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad Esfuerzo (Kg/cm2) de deformación plástica de: de ruptura 0.0001% / hora 0.0000l% / hora 1 000 10 000 100 000 (1% en 10 000 (1% en 100 000 horas horas horas horas) horas) 1 620 1 268 ------------- -------1 056 901 1 929 1 760 1 606 634 521 1 338 1 028 782 352 232 718 521 373 176 127 422 289 204 98 56 253 148 84 -----------141 84 -----------------49 ------- ------- Aplicaciones La combinación 5 Cr-1/2 Mo hace que los aceros sean muy solicitados para trabajar a temperaturas hasta de 620 ºC por su excelente comportamiento contra la deformación plástica, resistencia a la oxidaci6n y a la corrosión por esfuerzo. Son utilizados donde se tienen condiciones oxidantes severas en combinación con gases corrosivos y en medios que contienen azufre. Trabajo en caliente Los aceros 5 cromo- 1/2 molibdeno pueden trabajarse con facilidad en todas las operaciones en caliente. Son endurecibles al aire por lo que deben ser enfriados lentamente o recocidos después del trabajo en caliente. Del mismo modo, deben ser precalentados a 815 ºC o calentados lentamente hasta alcanzar la temperatura de trabajo en caliente. El doblado de tubos debe ser ejecutado a 954-1 010 ºC y el forjado debe realizarse a 1 091-1 204 ºC, terminando a una temperatura no menor que 927-982 ºC. Es satisfactorio un enfriamiento lento desde estas temperaturas cuando no se requieren propiedades especiales. Normalmente es aconsejable dar un recocido a 718-746 ºC y enfriar en aire calmado. Cuando se desea obtener una dureza lo más baja posible es necesario recocer a 829-871 ºC, enfriar lentamente a una rapidez de 10 ºC por hora hasta 591 ºC o más bajo. Ing. IFT 46 TABLA 3.25 ESFUERZO DE TENSION MAXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS. ACEROS 5 CROMO-l/2 MOLIBDENO Especificación ASTM Descripción A 335, Grado P5 Tubería sin costura A 213, Grado T5 Tubos o fluses A 199, Grado T5 sin costura A 357 Placas A 182, Grado F5 A 336, Grado F5 Forjas Esfuerzo (Kg/cm2) de tensión máximo permitido temperatura del metal en ºC: Resistencia a la tensión mín Kg/cm2 4 225 4 225 371 944 944 426 901 901 482 810 810 538 514 514 565 366 366 4 225 944 901 810 514 366 4 225 944 901 810 514 366 Soldadura Para soldar estos aceros deben utilizarse electrodos con bajo contenido de hidrógeno tipo 5 Cr-l/2 Mo, clasificación AWS E502-15, 16. Aplicar un precalentamiento sostenido y temperatura de interpasos de l49-315 ºC. El relevado de esfuerzos se aplicará inmediatamente después de soldar a una temperatura de 704-760 ºC, seguido de un enfriamiento lento en aire calmado. Para obtener una dureza mínima y una ductilidad máxima, se debe recocer a 871 ºC y enfriar lentamente a una rapidez de 10 ºC por hora hasta alcanzar 593 ºC o más bajo. Cuando no se desea aplicar relevado de esfuerzos se pueden utilizar electrodos AWS E309-15, 16; E309Cb-15, E3l0-15, 16; E310Cb-15, 16; tomando en consideración que las piezas soldadas no van a estar sometidas a esfuerzos dinámicos o cíclicos, choques térmicos, etcétera, por ser el metal depositado de la soldadura susceptible a la fracturación por esfuerzo (Stress Cracking). Cuando la temperatura de operación sea de 426 ºC o mayor, se recomienda aplicar electrodos clasificación AWS ENi Cr Fe-3; ENi Cr Fe-2, considerando también su susceptibilidad a fracturarse por esfuerzo. Recomendaciones para la soldadura de aceros 5 cromo-1/2 molibdeno con aceros: 18 cromo-8 níquel (18 Cr-8 Ni) Tipo 304 18 cromo-8 níquel-Ti (l8 Cr-8 Ni-Ti) Tipo 321 Electrodos clasificación AWS E309-15, 16; E309Cb-l5, 16; E310-15, 16; E310Cb-15, 16; Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que 10 ºC, o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm).Cuando la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENI Cr Fe-2. Electrodos AWS E309-15, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire es menor que 10 ºC o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Si se presentan problemas de soldabilidad con los metales base, o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, es recomendable usar electrodos clasificación AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. 18 cromo-8 níquel-Cb (18 Cr-8 Ni-Cb)Tipo 347 18 cromo-8 níquel-Mo Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (18 Cr-8 Ni-Mo)Tipo 316 25 cromo-12niquel Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti. (25 Cr-12 Ni)Tipo 309 25 cromo-20 níquel Electrodos AWS E309-15, 16; E310-15, 16. Precalentar a 38 ºC si la temperatura del aire (25 Cr-20 Ni) es menor que 10 ºC o el espesor del material excede de 3/4" (19 mm). Si se presentan proble Tipo 310 mas de soldabilidad con los metales base o si la temperatura de operación es de 426 ºC o mayor, se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. Las recomendaciones para la soldadura de estos aceros con aceros bajo carbón, medio carbón, carbón- 1/2 molibdeno, 1/2 cromo-1/2 molibdeno, 1 cromo-l/2 molibdeno, 11/4 cromo-1/2 molibdeno y 21/4 cromo-l molibdeno, 3 crom-1 molibdeno aparecerán en cada de estos aceros en el renglón correspondiente a 5 cromo-1/2 molibdeno (5 Cr1/2 Mo). Ing. IFT 47 LOS ACEROS INOXIDABLES ACEROS INOXIDABLES AL CROMO ACEROS AL CROMO, MARTENSITICOS ACEROS AL CROMO, FERRITICOS ACEROS INOXIDABLES AUSTENITICOS ACERO 18 CROMO – 8 NIQUEL ACERO 18 CROMO – 8 NIQUEL, BAJO CARBON ACEROS 18 CROMO – 8 NIQUEL Ti ACEROS 18 CROMO – 8 NIQUEL Cb ACEROS 18 CROMO – 8 NIQUEL Mo ACEROS 18 CROMO – 8 NIQUEL Mo-L ACEROS 25 CROMO – 12 NIQUEL ACEROS 25 CROMO – 20 NIQUEL Ing. IFT 48 4.- ACEROS INOXIDABLES 4.1 ¿QUÉ SON LOS ACEROS INOXIDABLES Y CÓMO SE SUELDAN? Originalmente los aceros inoxidables eran simples aleaciones de fierro, cromo y carbón. Actualmente la mayoría de los aceros al cromo contienen cantidades pequeñas pero significativas de uno o más elementos como níquel, molibdeno, tungsteno, cobre, selenio, azufre, fósforo y nitrógeno, siendo el cromo el elemento aleante clave. Para que un acero sea realmente inoxidable, el contenido de cromo debe ser por lo menos el 11.5 % de la aleación por casi nueve veces más de fierro. Cuando el cromo se agrega al fierro en un 11.5 % o más, se forma espontáneamente una película delgada de óxido de cromo sobre la superficie expuesta al aire. Esta película fina actúa como barrera para retener la oxidación o corrosión evitando que el acero se manche, de ahí su nombre de acero sin mancha o acero inoxidable. Propiedades generales El cromo en grandes cantidades (11.5% o más) hace completamente inoxidable al acero. La adición de cromo incrementa la dureza hasta cierto límite. Demasiado cromo entorpece completamente el endurecimiento del acero por ser un fuerte formador de ferrita. Los aceros que contienen 18-20% de cromo o más con ausencia de otros elementos aleantes no pueden ser endurecidos a pesar de su contenido de carbón. El acero martensítico puede ser endurecido con un enfriamiento adecuado; pero el acero ferrítico no. El enfriamiento que endurece al acero martensítico normalmente recoce al ferrítico. Los aceros inoxidables con 12% de cromo en condición de recocidos pueden ser endurecidos por tratamiento térmico y obtener un rango amplio de propiedades mecánicas; poseen buena resistencia a la corrosión para diversas condiciones atmosféricas y procesos industriales. Su excelente resistencia a la erosión los hace idealmente adecuados para álabes de turbinas, asientos de válvulas y otras aplicaciones. Los aceros inoxidables con aproximadamente 16% de cromo, generalmente no son endurecibles pero son más fácilmente soldables que aquellos con 12 % de cromo endurecibles. El contenido hasta de 26% de cromo aumenta la resistencia de los aceros a la oxidación en aplicaciones a temperaturas elevadas. No son endurecibles, pero su trabajo manual está limitado debido a su relativa baja tenacidad y ductilidad. Clasificación Metalúrgicamente los aceros inoxidables están agrupados en tres clases básicas de acuerdo a su microestructura: MARTENSITICOS, FERRITICOS, AUSTENITICOS. Los aceros inoxidables martensíticos y ferríticos, conocidos como aceros al cromo, son altamente magnéticos, no recomendados para trabajar a bajas temperaturas y en servicio criogénico. Los aceros inoxidables austeníticos, conocidos como aceros al cromo-níquel no son magnéticos. Por las características propias de cada uno de ellos y por requerir procedimientos diferentes para soldar, serán tratados en forma independiente. 4.2 ACEROS INOXIDABLES AL CROMO Existen aproximadamente 15 tipos de aceros inoxidables clasificados por el INSTITUTO AMERICANO DEL HIERRO Y DEL ACERO (AISI), compuestos exclusivamente de cromo y fierro con cantidades controladas de carbón. Comercialmente son conocidos como aceros inoxidables de la serie 400, comúnmente referidos como aceros al cromo, con pequeñas cantidades de otros elementos para proveer dureza, tenacidad, maquinabilidad, etc. Son altamente magnéticos y la diferencia significativa que existe entre estas aleaciones es la cantidad de cromo agregada al fierro en los limites de 11.5-29%. Ing. IFT 49 Los aceros inoxidables al cromo están comprendidos en las clases martinsítica y ferrítica. Los aceros inoxidables martensíticos contienen de 11.5-17 % de cromo como elemento principal; se endurecen al aire, son duros frágiles y requieren precalentamiento y postcalentamiento para soldarse. Algunos de los aceros inoxidables de la serie 400 que son martensíticos incluyen los AISI tipos 403, 410, 414 416 y 420. Los aceros con un contenido de cromo de 17%, como los AISI tipos 430 y 431. pueden ser martensíticos o ferríticos por lo que deben ser precalentados para mayor seguridad. Estos dos tipos también se conocen como aleaciones de transición. Los aceros inoxidables ferríticos contienen 17-27% de cromo, no se endurecen y generalmente son blandos y dúctiles, llegando a ser frágiles al soldarse. Toman el nombre de ferríticos por tener la misma estructura atómica que el fierro a la temperatura ambiente. Algunos de los aceros al cromo de la serie 400 caen en esta categoría y también requieren de precalentamiento y postcalentamiento para ser soldados. Incluyen los AISI tipos 430 y 431 parcialmente endurecibles y los 405, 442 446 no endurecibles. Crecimiento de grano en aceros al cromo A diferencia de los aceros inoxidables austeníticos, los aceros al cromo no están sujetos a la precipitación de carburos. Sin embargo, presentan un crecimiento de grano que se produce rápidamente cuando se alcanzan temperaturas de 899 ºC (1 650 ºF) o mayores. La fragilidad del metal se incrementa con el crecimiento de grano y daña más seriamente a los tipos ferríticos. El crecimiento de grano que se produce en los aceros al cromo martensíticos cuando se exponen a temperaturas elevadas puede ser refinado por tratamiento térmico. Este tratamiento consiste en uno o varios pasos a través de una temperatura de transformación aproximada de 87 1 ºC (1 600 ºF). El crecimiento de grano que daña a los aceros al cromo ferríticos no puede ser corregido. Para minimizar el crecimiento y la fragilización resultante, debe evitarse la aplicación de calor innecesario. Lo cual puede lograrse utilizando electrodos de pequeño diámetro y baja corriente para soldar, permitiendo a la zona de soldadura enfriarse a la temperatura de precalentamiento después de la aplicación de cada cordón. Los aceros inoxidables martensíticos y ferríticos de la serie 400 requieren de precalentamiento y postcalentamiento para ser soldados. El precalentamiento debe ser de 204 ºC (400 ºF) y mantener una temperatura de interpasos de 160 ºC (320 ºF) durante el trabajo de soldado. Al terminar la soldadura se debe aplicar un postcalentamiento o recocido seguido de un enfriamiento lento. En las aleaciones ferríticas de transición, donde el cromo se incrementa a 17 o 18% (tipo 430) y el contenido de carbón se conserva bajo (aproximadamente 0.10%), la transformación durante el calentamiento y el enfriamiento es gradualmente reducida. Estos aceros forman una pequeña cantidad de austenita en el calentamiento, que se transforma en martensita con el enfriamiento. Desafortunadamente, la martensita puede ser distribuida continuamente a lo largo y en los alrededores del grano, dando como resultado una perdida de ductilidad y en consecuencia, los limita para ser trabajados una vez que han sido soldados. El ciclo térmico de la soldadura también puede afectar la sensibilización del metal depositado y la zona afectada por el calor adyacente a la soldadura. Estas áreas pueden experimentar ataque de corrosión intergranular en medios relativamente benignos. Se recomienda un recocido posterior a la soldadura a 760-8l5 ºC ( 1 400-1 500 ºF) para restaurar la resistencia a la corrosión. Los aceros al cromo no endurecibles con 25% de cromo (tipo 446), mientras están libres de la formación de martensita durante la soldadura, son también susceptibles a la corrosión intergranular en algunos medios cuando se encuentran en su condición de soldados. De ahí que estos aceros no sufran una transformación significativa. La única forma de refinar el grano es por medio de trabajo mecánico. El crecimiento del grano combinado con una precipitación de la fase en los alrededores del mismo reduce la ductilidad y resistencia a la corrosión. La pérdida de propiedades, resultado de la soldadura, limita su aplicación en la condición de soldados en medios normalmente benignos con cargas mecánicas mínimas. Sin embargo, la aplicación de un recocido posterior restaura las propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión semejantes a las del material base sin soldar Ing. IFT 50 Soldabilidad de los aceros al cromo Este tipo de aleación tiene aproximadamente la misma expansión térmica que el acero al carbón, siendo comparable también el torcimiento o distorsión. La velocidad de conductividad térmica puede ser tan baja como el 50% del acero al carbón, provocando calentamientos localizados más altos y haciéndose necesario utilizar corrientes bajas para soldar. El punto de fusión es ligeramente más bajo que el del acero al carbón y la resistencia eléctrica es aproximadamente 4.5 veces más alta. Las propiedades de soldabilidad son diferentes en estos tipos de aceros, por lo que se tratará cada caso en particular. 4.3 ACEROS AL CROMO, MARTENSÍTICOS Esta clase de aceros es muy endurecible, aun al aire tiene la característica de endurecerse rápidamente. En el enfriamiento, a partir de las temperaturas de soldar, el metal depositado y la zona de fusión pueden llegar a ser excesivamente duros y frágiles, a menos que se aplique un precalentamiento y un postcalentamiento. Se recomienda precalentamiento para prevenir la fracturación y recocido total después de soldar; pero cuando son impracticables, la zona soldada debe ser relevada de esfuerzos. Antes de efectuar el relevado de esfuerzos es importante asegurarse que el metal de la soldadura ha llegado a ser martensitico, de no ser así, se perderá el efecto benéfico del relevado de esfuerzos. Un método sencillo para determinar si el metal depositado se ha transformado o no en martensita consiste en probar con un imán. Si es magnético, la transformación se ha consumado; si no es magnético, la transformación no se ha presentado y se debe permitir que el metal se enfríe hasta que se vuelva magnético. Esta prueba no tendrá efecto si para soldar se utilizan electrodos inoxidables al cromo-níquel. El procedimiento recomendado para el relevado de esfuerzos, consiste en iniciarlo tan pronto como la soldadura se haya enfriado lo suficiente para ser magnética. 4.3.1 Aceros 12% cromo, martensíticos, tipos 403 y 410 Composición química en porciento: Carbón (C) Manganeso(Mn) Fósforo (P) Azufre (S) Silicio (Si) Cromo (Cr) Fierro (Fe) níquel (Ni) Tipo 403 0.15 máx. 1.00 máx. 0.04 máx. 0.03 máx. 0.50 máx. 11.50-14.50 Balance 0.75 máx. Tipo 410 0.15 máx. 1.00 máx. 0.04 máx. 0.03 máx. 1.00 máx. 11.50-14.50 Balance 0.75 máx. Propiedades mecánicas mínimas: Resistencia a la cedencia (0.2%) en Kg/cm2 Resistencia última en Kg/cm2 Alargamiento en 50 mm, en porciento Recocido 2 465 Con tratamiento térmico 2 465-12 676 4 225 4 225-14 084 20 25-10 Usos El tipo 410 con su contenido básico de 12% de cromo es utilizado en aplicaciones generales de corrosión y resistencia al calor. . Ing. IFT 51 Con máximo contenido de carbón se obtienen propiedades definidas de endurecimiento al aire, y con tratamiento térmico se pueden alcanzar durezas arriba de 400 Brinell. Se utiliza para partes de bombas, asientos de válvulas, lavadoras de carbón, cuchillería, equipo de refinería y petroquímica. El tipo 403 es similar, pero con procesamiento especial se usa en turbinas, Soldadura En aplicaciones donde es necesario que el metal de soldar y el metal base sean semejantes (condiciones de temperatura elevada y máxima corrosión), se deben utilizar electrodos especificación AWS-E410-15. Donde se requiere máxima ductilidad se recomiendan electrodos inoxidables AWS-E309-15 o AWS-E310-l5. Los electrodos de acero inoxidable austenitico producirán depósitos de metal muy dúctil, pero la zona afectada por el calor puede estar completamente dura, excepto en los tipos con muy bajo contenido de carbón. Si el carbón es suficientemente alto para producir endurecimiento al aire, puede resultar fracturación, por lo que es recomendable precalentamiento y postcalentamiento. Se debe precalentar entre 149-315 ºC (300-600 ºF) y relevar esfuerzos después de soldar a 734-787 ºC 1 350-1 450 ºF), sostener esta temperatura el tiempo necesario y enfriar con una velocidad de 10 ºC (50-100 ºF) por hora hasta alcanzar 593 ºC (1 100 ºF); enseguida, remover la pieza del horno y dejar enfriar al aire. 4.3.2. Acero 12% cromo, martensítico, tipo 414 Composición química en porciento: Carbón (C) Manganeso(Mn) Fósforo (P) Azufre (S) Silicio (Si) Cromo (Cr) Níquel (Ni) Fierro (Fe) 0.15 máx. 1.00 máx. 0.04 máx. 0.03 máx. 1.00 máx. 11.50-13.50 1.25-2.50 Balance Propiedades mecánicas mínimas: Recocido Resistencia a la cedencia (0.2%) en Kg / cm2 Resistencia última en Kg / cm2 Alargamiento en 50mm, en porciento Con tratamiento térmico 4 577 7 042 25 4 577-12 324 7 042-15 493 25-10 Usos Este es un acero al cromo que con el contenido de níquel tiene propiedades de resistencia a la corrosión ligeramente superiores al tipo 410. La dureza y resistencia a la tensión pueden ser más altas por tener una respuesta mejor al tratamiento térmico. Soldadura El mismo procedimiento general utilizado en el tipo 410 es aplicable al tipo 414. Ing. IFT 52 4.3.3 Acero 12% cromo, martensítico, tipo 416 Composición química en porciento: Carbón (C) 0.15 máx. Manganeso(Mn) 1.25 máx. Fósforo 0.06 máx. Azufre o Selenio*(S) (Se),0.15-0.30 Silicio (Si) 1.00 máx. Cromo (Cr) 12.00-14.00 Fierro (P) Balance *Modificaciones para maquinado Propiedades mecánicas mínimas: Resistencia a la cedencia (0.2%) en Kg/cm2 Resistencia última en Kg/cm2 Alargamiento en 50mm, en % Recocido Con tratamiento térmico 3 521 3 52l-8 098 5 986 5 986-9 859 15 25-15 Usos Este es un acero con 12% Cr y otros elementos adicionales para mejorar la maquinabilidad. Se utiliza para partes de máquinas automáticas en la fabricación de tornillos o donde la maquinabilidad es un factor importante, las otras propiedades son completamente semejantes al tipo 410. Soldadura El contenido de azufre o selenio es perjudicial a la soldadura, provocando posible porosidad y una tendencia a ser quebradizo en caliente. Se recomienda el empleo de técnicas para reducir la mezcla del metal base en la soldadura. Ya que el precalentamiento tiende a aumentar la cantidad del metal base mezclada, y a conservar las partes en el límite quebradizo en caliente por largo tiempo, se sugiere utilizar material con bajo contenido de carbón para que el precalentamiento sea eliminado y emplear procedimientos que reduzcan la fracturación. 4.3.4 Acero 12% cromo, martensítico, tipo 420 Composición química en porciento: Carbón (C) Manganeso(Mn) Fósforo (P) Azufre (S) Silicio (Si) Cromo (Cr) Fierro (Fe) Ing. IFT 0.15 mín. 1.00 máx. 0.04 máx. 0.03 máx. 1.00 máx. 12.00-14.00 Balance 53 Propiedades mecánicas mínimas: Resistencia a la cedencia (0.2%) en Kg/cm2 Resistencia última en Kg/cm2 Alargamiento en 50 mm, en %. Recocido Con tratamiento térmico 3 521 6 338 15 3 521-15 493 6 338- 9 014 15-2 Usos El tipo 420 es el grado de acero fuertemente endurecible utilizado en servicios donde se requiere alta dureza y resistencia a la corrosión. Durezas mayores que 50 Rockwell C pueden obtenerse cuando el contenido de carbón es aproximadamente de 035%. También es utilizado en cuchillería. Soldadura Por existir límites muy amplios en el contenido de carbón, la soldabilidad del tipo 420 puede variar grandemente. Con 0.15% de carbón, la soldabilidad corresponderá a la del tipo 410 y puede ser posible utilizar únicamente un ligero precalentamiento entre 149-204 ºC (300-400 ºF). y enfriar lentamente y sin postcalentamiento. Debido a que las aleaciones con alto contenido de carbón son fuertemente endurecibles al aire y susceptibles a fracturación, deben tomarse precauciones para reducir esta tendencia. Mientras que la soldadura o la zona de fusión pueden tener alta resistencia, la ductilidad será baja y las fracturas pueden aparecer durante la contracción o en servicio. Por este motivo, es costumbre recocer las partes para lograr un ablandamiento apreciable antes de entrar en operación. Se recomiendan precalentamiento y postcalentamiento cuando se tenga un contenido de 0.20% de carbón o más. Conforme la cantidad de carbón se incrementa la temperatura de precalentamiento también debe aumentarse. Para un contenido de 0.20% de carbón o mayor, la temperatura debe aumentarse aproximadamente a 260 ºC (500 ºF). El postcalentamiento usual consiste en calentar a 704 ºC (1 300 ºF), mantenerlo de cuatro a ocho horas y enseguida enfriar al aire. Cuando se requieren propiedades mecánicas máximas, se recomienda utilizar electrodos especiales clasificación AWS-E410-15 y AWS E420- 15, con depósitos de metal de la misma composición del material base. La soldadura maa dúctil generalmente se obtiene con electrodos de acero inoxidable tipos 25 Cr-12 Ni y 25 Cr20 Ni clasificación AWS-E309-l5 y AWS-E310-15; pero aún así, el área afectada por el calor será frágil. Si se sueldan con material dúctil se tendrán menos dificultades que si se utilizara un material frágil. Normalmente se requiere un tiempo corto de recocido después de soldar con estos electrodos. 4.4 ACEROS AL CROMO, FERRÍTICOS, PARCIALMENTE ENDURECIBLES Las aleaciones con contenido de cromo de 15 a 18% con un balance de carbón apropiado, y posiblemente otras aleaciones con bajo porcentaje de carbón, son parcialmente endurecibles. Estos aceros son más soldables que aquéllos con ligeramente más bajo o más alto contenido de cromo. Los aceros con un contenido de cromo ligeramente más bajo son extremadamente endurecibles al aire y difíciles de soldar. Los aceros con contenido de cromo ligeramerite más alto no son endurecibles, pero están sujetos a un crecimiento muy rápido del grano, resultando una estructura muy frágil en la zona afectada por el calor y también de la soldadura cuando la composición del metal depositado es similar a la del metal base. El hecho de que estos aceros sean parcialmente endurecibles se debe a una soldadura y una zona afectada por el calor menos duras y frágiles en comparación con los aceros totalmente endurecibles. También, la característica de ser parcialmente endurecibles resulta de un enfriamiento del grano que previene el crecimiento de granos de mayor tamaño presentes en los aceros al cromo no endurecibles. Por ser estas aleaciones parcialmente endurecibles, es recomendable dar precalentamiento y postcalentamiento. Debe aplicarse recocido cuando se vayan a someter a grandes esfuerzos de trabajo. Ing. IFT 54 4.4.1.- Acero 14-18% cromo, ferrítico, parcialmente endurecible, tipo 430 Composición quimica en porciento: Carbón (C) 0.12 máx. Manganeso (Mn) 1.00 máx. Fósforo (P) 0.04 máx. Azufre (S) 0.03 máx. Silicio (Si) 1.00 máx. Cromo (Cr) l6.00-l8.00 Fierro (Fe) Balance Propiedades mecánicas mínimas: Recocido Resistencia a la cedencia (0-2%) en Kg/cm2 Resistencia última en Kg/cm2 Alargamiento en 50 mm, en porciento Con tratamiento térmico 465 4 225 20 2 465- 7 746 4 225-10 563 25-3 Usos El contenido de cromo en el tipo 430 se incrementa sobre los tipos 12% cromo para mayor resistencia a la corrosión y al calor. En el limite máximo de 0.12% de carbón, común en este tipo, la aleación prácticamente no es endurecible con tratamiento térmico, pero puede ser ligeramente endurecible por trabajo en frío. Es utilizado en equipo para manejar ácido nitrico por sus propiedades de resistencia a la corrosión; para partes de quemadores y otras aplicaciones a temperatura elevada por su resistencia a la oxidación. Soldadura Como el contenido de cromo se ha incrementado arriba de 14%, el material se vuelve parcialmente endurecible, pero la tendencia a Iracturación no existe virtualmente por este motivo. Sin embargo, aunque la zona de soldadura no es dura, es muy frágil debido al crecimiento de grano producido por las altas temperaturas alcanzadas al soldar. Después de soldados, se puede hacer muy poco para obtener la tenacidad del metal depositado o de la zona de fusión, en virtud de que la estructura áspera del grano no se refina apreciablemente por tratamiento térmico. Por este motivo no se recomienda soldar donde se van a tener cargas por impacto, choque o vibración. Si el material va a ser utilizado a temperaturas arriba de 93º C (2OOº F), la tenacidad se vuelve considerablemente mayor y podrán practicarse uniones soldadas. Como la ductilídad se mejora a temperaturas elevadas, es aconsejable precalentar a 149º C (300º F) antes de soldar y mantener esta temperatura hasta terminar para reducir fallas por fragilización. A menos que por necesidades del servicio se requiera utilizar electrodos especiales AWS-E430- 15 de la misma composición del metal base, se recomiendan electrodos inoxidables austeniticos 25 Cr-20 Ni o 25 Cr- 12 Ni, clasificación AWS-E310-15 o AWS-E-309-l5 por asegurar buena ductilidad del metal de aportación. 4.4.2 Acero 15-17% cromo, ferrítico, parcialmente endurecible, tipo 431 Composición química en porciento: Carbón Manganeso Fósforo Azufre Silicio níquel . (Ni) Cromo Fierro Ing. IFT (C) 0.20 máx. (Mn) 1.00 máx. (P) 0.04 máx. (S) 0.03 máx. (Si) 1.00 máx. 1.25-2.50 (Cr) l5.00-17.00 (Fe) Balance - 55 Propiedades mecánicas mínimas: Resistencia a la cedencia (0.2%) en Kg/cm2 Resistencia última enKg/cm2 Alargamiento en 50% mm, en porciento Recocido 6 338 7 394 20 Con tratamiento térmico 6 338-13 028 7 394-15 493 25-l0 Usos Este grado es utilizado donde se requiere un acero más soldable en comparación con los tipos con bajo contenido de cromo (altamente endurecibles al aire), o con los de más alto contenido de cromo (frágiles pero no duros, debido al crecimiento del grano). Soldadura No se recomienda soldar estos aceros donde se puedan presentar cargas de impacto o de choque. Con el contenido de carbón relativamente bajo no se produce endurecimiento al aire exagerado, pero si puede presentarse endurecimiento aun con alto contenido de cromo. Esto favorece el refinamiento del grano que previene el desarrollo de granos más grandes y frágiles, encontrados cuando se sueldan los grados con más alto contenido de cromo no endurecibles. Precalentamiento y postcalentamiento Debido al endurecimiento parcial de estos aceros se recomienda un precalentamiento de 93º C (200º F) y mantener esta temperatura hasta terminar el trabajo. Por ser la unión frágil, se recomienda un recocido donde los esfuerzos de trabajo o de impacto tiendan a ser altos. Generalmente es satisfactorio recocer a 787º C (1 450º F) y enfriar al aire desde esta temperatura, pero puede obtenerse un ablandamiento máximo del acero si se permite un enfriamiento en el horno hasta de 593º C (1 100º F) y luego se enfría al aire. 4.5 ACEROS AL CROMO, Fl£RRITICOS, NO ENDURESIBLES Los aceros al cromo con un contenido superior a 18% son completamente ferríticos y no enduresibles por tratamiento térmico. Debido a las elevadas temperaturas que se alcanzan durante la soldadura, se produce crecimiento de grano notable resultando una unión muy frágil pero no dura. La fragilización no puede ser removida por un recocido o un relevado de esfuerzos. De ahí que la junta soldada o la zona afectada por el calor sean muy frágiles, pero no por falta de tenacidad. La soldadura no debe practicarse si la junta va a estar sometida a cargas de impacto o de flexión. Es recomendable que para el primer paso de soldadura se aplique un electrodo de la misma composición del metal base y utilizándolo como respaldo, terminar la unión con un electrodo de acero inoxidable austenítico. 4.5.1 Acero 12% cromo, ferrítico, no endurecible, tipo 405 Composición quimicd en porciento: Carbón Manganeso Fósforo Azufre Silicio Níquel Cromo Aluminio Fierro Ing. IFT (C) (Mn) (P) (S) (Si) (Ni) (Cr) (Al) (Fe) 0.08 máx. 1.00 máx. 0.04 máx. 0.03 max. 1.00 máx. 0.60 máx. 11.50-14.50 0. 10-0.30 Balance 56 Propiedades mecánicas mínimas: Recocido 2 465 4 225 20 Resistencia a la cedencia (0.2%) en Kg/cm2 Resistencia última en Kg/cm2 Alargamiento en 50 mm, en porciento Usos La adición de aluminio y el bajo contenido de carbón da por resultado una aleación que se enfriará desde las temperaturas alcanzadas en la soldadura sin endurecimiento apreciable. El tipo 405 puede ser utilizado cuando se requiere un acero relativamente blando y el tratamiento térmico no es práctico. La zona de soldadura no es dura, en cambio, carece de tenacidad por el crecimiento de grano debido a las altas temperaturas de la soldadura. En este aspecto, la aleación es similar a las aleaciones ferríticas con alto contenido de cromo no endurecibles. La estructura áspera del grano reduce la tenacidad por efecto de las altas temperaturas en tal forma que el metal se vuelve fragil a pesar de ser blando. Soldadura Los electrodos inoxidables austeníticos especificación AW-E309-15 tipo 25 Cr-12 Ni y AWS-E310-15 tipo 25 Cr-20 Ni, normalmente dan resultados satisfactorios proporcionando depósitos de máxima tenacidad; pero si por necesidades del servicio se requiriera utilizar un electrodo de la misma composición del metal base, entonces se recomienda aplicar electrodos AWS-E410-15. Precalentamiento y postcalentamiento Pueden utilizarse los procedimientos estándar. Teóricamente no se requieren precalentarniento ni postcalenta miento si el contenido de carbón se conserva en el límite máximo o abajo de éste. 4.5.2 Aceros 18-30% cromo, ferrítícos, no endurecibles, tipos 442 y 446 Composición quimica en porciento: Tipo 442 Carbón (C) 0.20 máx. Manganeso (Mn) 1.00 máx. Fósforo (P) 0.04 máx. Azufre (S) 0.03 max. Silicio (Si) 1.00 máx. Nitrógeno (N) ----------Cromo (Cr) l8.00-23.00 Fierro (Fe) Balance Tipo 446 0.20 máx. 1.00 máx. 0.04 máx. 0.03 máx. 1.00 más. 0.15 más. 23.00-27.00 Balance Propiedades mecánicas mínimas: Resistencia a la cedencia (0.2%) en Kg/cm2 Resistencia última en Kg/cm2 Alargamiento en 50 mm, en porciento Recocido 3 l69 5 282 20 Usos Estos tipos de aceros tienen las propiedades de resistencia a la corrosión y al calor más altas. Son recomendados para equipo que maneje ácido nítrico y sulfúrico, y en aplicaciones donde la escamación (oxidación) a alta temperatura es un factor importante; pueden soportar temperaturas hasta de 1 149º C (2 100º F). Ing. IFT 57 Soldadura Los tipos 442 y 446 tienen características de soldabilidad semejantes pero ninguno se recomienda para aplicaciones soldadas dende se presenten cargas de impacto, choque o flexión, debido a que la zona de soldadura es muy frágil por el crecimiento excesivo del grano producido por la alta temperatura alcanzada al soldarlos. Si el contenido de cromo se aumenta el crecimiento del grano será mayor. El tratamiento térmico tiene poco o ningún efecto en la tenacidad de la estructura frágil, resultado del rápido alargamiento del grano por la alta temperatura. El mayor crecimiento de grano se produce a una temperatura aproximada de 982º C (1 800º F). La tenacidad al impacto es también impartida por sostenimiento durante un tiempo razonable, en el rango de temperaturas de 371787º C (700-1 450º F). Para una restauración de la tenacidad tanto como sea posible, se recomienda calentar la pieza a 871º C (1 600º F) y enfriarla rápidamente en el rango 787-371º C (1 450-700º F) dentro del cual se presenta la fragilización. Algún incremento de tenacidad puede ser obtenido (posiblemente por refinamiento del grano), aplicando un martilleo entre cordón y cordón de soldadura, mientras se mantiene la temperatura alta. Donde las condiciones de servicio lo requieren, se recomienda utilizar electrodos especiales con un contenido de 28% cromo para un depósito con la misma composición del metal base; pero tanto la soldadura como la zona adyacente serán extremadamente frágiles. Donde se requiere una unión mecánica eficiente se pueden utilizar electrodos inoxidables austeniticos tipo 25 Cr-20 Ni, especificación AWS-E310-15. El metal depositado con estos electrodos es relativamente blando y dúctil; pero la zona afectada por el calor será frágil. Un material de aportación blando se comportará mejor bajo esfuerzos altos y al impacto que un material frágil. Precalentamiento y postcalentamiento Se recomienda la aplicación sostenida de un precalentamiento de 149º C (300º F) durante el trabajo de soldado. Para obtener un máximo de tenacidad la pieza debe ser calentada a 816-871º C (1 500-1 600º F) y rápidamente enfriada al aire o en agua fría. 4.6 ACEROS INOXIDABLES AUSTENICOS Con la adición de níquel (5% o más) a la aleación fierro-cromo se dió origen a los aceros inoxidables austeníticos de la serie 300, comúnmente referidos como aceros al cromo-níquel. Los aceros inoxidables austeniticos además de los requerimientos mencionados para los aceros inoxidables al cromo, no son magnéticos y tienen suficientes elementos austenizantes principalmente níquel. para proveer una matriz en esencia austenítica en todas las temperaturas. La adición de níquel al acero inoxidable incrementa la resistencia la corrosión y al impacto mejora las propiedades de soldabilidad, ductilidad y de resistencia a la fatiga. El níquel también aumenta la resistencia eléctrica y reduce la conductividad térmica. sin embargo, estos efectos no siempre son considerados ventajosos. 4.6.1 Propiedades generales Son no endurecibles Los aceros inoxidables austeníticos de la serie 300 son considerados muy soldables ¿mucho más que los aceros inoxidables al cromo de la serie 400). Por no ser endurecibles por tratamiento térmico o cambios bruscos de temperatura al ser soldados, la soldadura no afecta la resistencia o ductilidad del depósito, zona de fusión o metal base. La unión soldada es altamente resistente y dúctil en su condición soldada y materialmente no puede ser modificada por tratamiento térmico. Las soldaduras de acero inoxidable austenítico se caracterizan por su gran tenacidad aún a lajas temperaturas. El contenido de carbono de estos aceros se procura conservarlo bajo a propósito, para asegurar su condición de no endurecibles. De hecho, un enfriamiento brusco desde l 038-1 093 °C (1 900-2 000 °F), los ablanda y los deja en la Ing. IFT 58 mejor condición para resistir la corrosión. Endurecimiento por trabajo La única forma más común de endurecimiento que se aplica a los aceros cromo-niqueles por trabajo en frío. Además pueden sufrir determinado grado de endurecimiento en el conformado en caliente, por martilleo, sopleteado con perdigones de acero, etc. Como ya se dijo, el acero deberá estar en la condición de recocido para mejores propiedades de resistencia a la corrosión, por lo que deberá evitarse el trabajo en frío localizado. Impacto a baja temperatura Las propiedades de resistencia al impacto de los aceros al cromo-níquel son de considerable importancia para aplicaciones en equipos que operen a bijas temperaturas y en servicio criogénico. Los aceros inoxidables austeníticos por su contenido de níquel pueden permanecer en estructura cúbica cristalina de cara centrada (FCC) a temperaturas bajo cero y no estar sujetos a fallas por quebraduras, debido a sus altas resistencias de impacto y corte, característica que los hacen especialmente útiles para trabajos en esta área. Conductividad térmica La conductividad térmica de los aceros inoxidables austeníticos es aproximadamente 50% menor que en el acero al carbono. Al ser soldados, los aceros concentran el calor en la zona de soldadura antes que se disipe rápidamente a través de la placa (metal base). Por este motivo se requiere menos calor para una penetración de cordón determinada o para obtener un cordón fluido y uniforme. Así, también se debe utilizar menos calor, (corriente) para prevenir quemaduras en espesores delgados. Generalmente, sin embargo. las características de flujo uniforme y de baja penetración de los electrodos inoxidables austeníticos hacen posibles soldaduras en materiales muy delgados. Como regla general. se utiliza aproximadamente 10% menos de corriente con esta clase de electrodos en comparación con electrodos de acero al carbón. Uno de los motivos para utilizar corrientes relativamente más bajas es que los electrodos de cromo-níquel funden a una velocidad más alta que los electrodos de acero al carbón, depositándose más metal para una corriente determinada. Resistencia eléctrica La resistencia eléctrica es 6 a 12 veces mayor que en el acero al carbón produciendo más calentamiento en los electrodos de acero inoxidable austenítico. Por lo que es recomendable utilizar electrodos de longitud más corta para corregir esta condición. Expansión térmica La expansión térmica de los aceros inoxidables austeníticos es aproximadamente 50% mayor que en el acero al carbono. Al soldarse se incrementa la tendencia a combarse y pandearse, siendo muy notable en secciones delgadas. Esto puede ser controlado utilizando grampas, prensas o guías para mantener firmemente el material en su lugar, o bien se pueden aplicar apuntes pequeños de soldadura para asegurar un buen alineamiento y sujetar en su lugar mientras se esta soldando. 4.6.2. Características metalúrgicas Efecto de agregados químicos Los aceros inoxidables austeníticos son característicamente resistentes a la corrosión y oxidación. La adición de cromo es altamente significativa para lograr estas características. El cromo, cuando es agregado en el rango de 16 a 25% forma una solución sólida con el fierro. La aleación tiene una estructura ferrítica fuertemente magnética. La adición de níquel a la aleación fierro-cromo-carbono elimina la estructura ferrítica magnética formando una estructura austenítica en todas las temperaturas. La aleación austenítica resultante, solución sólida de cromo-níquel-carbón en fierro, no es magnética. Ing. IFT 59 El níquel además de fuerte formador de austenita incrementa la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión a alta temperatura. El silicio es un elemento particularmente importante en los grados 310 y 314. Conforme se incrementa el contenido de silicio se mejoran notablemente las resistencias a la oxidación y carburización a altas temperaturas. Contenidos altos de silicio mejoran la fluidez del metal liquido y las propiedades de la fundición. Además de los elementos aleantes principales. cromo, níquel y fierro, los aceros inoxidables austeníticos contienen otros elementos que influyen en sus propiedades, Por ejemplo. el manganeso, el carbón y el nitrógeno aumentan la acción estabilizante austenítica del níquel; mientras que el molibdeno, columbio y titanio promueven la formación de ferrita en la estructura y son fuertes formadores de carburos. Los elementos formadores de austenita y ferrita son balanceados adecuadamente para obtener diversas aplicaciones de estas aleaciones. Ferrita y sigma Las aleaciones inoxidables forjadas, totalmente austeníticas, frecuentemente presentan pequeñas zonas aisladas de ferrita en la matriz austenítica fundida o en el metal depositado por el electrodo. La presencia o ausencia de ferrita en la estructura del metal depende principalmente de su composición. Es por esto que muchos aceros inoxidables resistentes a la corrosión tienen límites de distribución de fases. Por ejemplo, un solo tipo de material para soldar puede ser totalmente austenítico o parcialmente ferrítico, dependiendo del balance de su composición. Los depósitos de soldadura completamente austeníticos, ocasionalmente son susceptibles a fracturarse en caliente. La presencia de ferrita en muchos casos, sin embargo, impide esta tendencia, siendo recomendable utilizar electrodos que contengan una pequeña cantidad de ferrita donde las condiciones de servicio lo permitan. Siendo la ferrita magnética, su presencia en un material austenítico puede ser detectada por medio de un imán. Un tratamiento térmico posterior ala soldadura puede disminuir o eliminar la ferríta. Por la presencia de austenita, ferrita y carburos en aceros inoxidables austeníticos, ocasionalmente se forma un compuesto intermetálico de cromo y fierro denominado fase sigma. Esta fase normalmente se forma por una transformación de ferrita al ser sometida la aleación durante largo tiempo a un calentamiento en el rango de temperatura de 649-427ºC (1 200-1700ºF ), dependiendo de su composición. La fase sigma no se ha observado en aceros 18 cromo-8 níquel tipos 302 y 304 aun cuando la ferrita ha estado presente. Se ha encontrado en aleaciones con alto contenido de titanio, columbio, molibdeno, silicio o cromo. La fase sigma puede producir pérdida de resistencia ala corrosión, pero normalmente se manifiesta en pérdida de ductilidad y resistencia al impacto. Precipitación de carburos Un efecto dañino del calentamiento en los aceros cromo-níquel, es la causa de precipitación de carburos en los alrededores del grano, dando como multado una reducción de la resistencia a la corrosión. En condiciones severas de corrosión las zonas afectadas por el calor pueden corroerse rápidamente, observándose que los granos del metal base en esas zonas no parecen estar firmemente ligados. Esta condición se conoce como corrosión intergranular Como se indicó anteriormente, las aleaciones regulares 18 Cr-8 Ni tipos 302 y 304, para que resistan la corrosión en su máxima extensión. deben encontrarse en la condición de recocido. Desafortunadamente, cuando se calienta en el rango entre 426-871ºC (800-1 600º F, rango de sensibilización). se tiene un cambio estructural que perjudica las propiedades de resistencia a la corrosión; aunque en la mayoría de los casos las propiedades mecánicas no son afectadas significativamente. La causa de este defecto se cree es debido a la precipitación en los alrededores del grano de una película muy fina de cromo, rica en carburos, que contiene aproximadamente 90% de cromo tomado de la capa de metal inmediatamente adyacente al grano. El carbón se separa de la solución sólida y se une con el cromo del metal formando los carburos de cromo. En estas condiciones el contenido de cromo del metal en los alrededores del grano puede verse tan reducido, que su resistencia a la corrosión sea muy pobre. Este fenómeno generalmente se conoce como precipitación de carburos y el tipo de corrosión que es probable se presente se conoce como corrosión intergranular. A pesar que las partes soldadas no estén sometidas a temperatura suficientemente altas para producirse la precipitación de carburos, la zona afectada por el calor y el metal depositado deberán ser calentados arriba de la Ing. IFT 60 temperatura de sensibilización 426-871ºC (800-1 600ºF) y enfriados a través de este rango durante la operación de soldadura. Si la velocidad de enfriamiento es lenta la precipitación de carburos puede tener lugar dentro de este rango de temperaturas. Esta condición puede presentarse en una soldadura de varios pasos, cordones gruesos o cuando dos cordones. se cruzan. Cómo prevenir la precipitación de carburos Se han encontrado varios métodos para reducir o prevenir la corrosión intergranular, enseguida se mencionan los más importantes: Calentando Las partes soldadas a 1 010-1093ºC (1 850-2 000º F) y enfriamiento rápidamente en el rango 871426ºC (1 600-800ºF), se produce la solución de los carburos precipitados eliminándolos. Sin embargo. pueden precipitarse nuevamente si las partes son calentadas subsecuentemente en operación arriba de 426ºC (800ºF). Este tratamiento. sin embargo, puede causar distorsión de las partes terminadas. Tratándose de grandes estructuras puede ser imposible sus aplicación. Otra solución obvia consiste en reducir el contenido de carbón de la aleación y mantenerlo tan bajo como sea posible (0.03% o menos) con lo cual ningún carburo puede ser precipitado. Se ha encontrado que el acero inoxidable tipo 18 Cr-8 Ni con un contenido de carbón de 0.02% está libre de ser susceptible a la corrosión intergranular. Una aleación 18 Cr-8 Ni con 0.08% de carbón máximo es recomendable para estructuras soldadas utilizando un electrodo que contenga de 0.05-0.07% de carbón con objeto de minimizar la precipitación de carburos. Aceros sin estabilizar Los aceros en los que se forman carburos de cromo por calentamiento entre 426-871ºC (800-1 600ºF), se llaman aceros no estabilizados como los tipos 301,302,303,304 y 308. Debido al incremento de la precipitación de carburos con el contenido de carbón los aceros inoxidables cromoníquel tipos 304 y 308 son los más adecuados para soldarse. Estos dos tipos tienen un contenido de carbón limitado a 0.08% máximo mientras que otros tienen un limite máximo de 0.15%. Si los tipos 304 y 308 son soldados en un solo paso, el tiempo que permanece el acero en el rango 426-871ºC (800-1 600ºF) es tan corto que la precipitación de carburos será muy pequeña. Por lo tanto, no es probable que la corrosión intergranular se presente en estos dos tipos. siempre que se haya previsto que las soldaduras sean hechas en un solo paso y que las partes terminadas no vayan a operar entre 426-871ºC (800-1 600ºF). Si el material es muy grueso y requiere de Pasos múltiples de soldadura, o si las partes terminadas van a operar entre 426-871ºC (800-1 600ºF),la precipitación de carburos es muy probable que ocurra aun en los tipos 304 y 308 y la corrosión intergranular se presentará si las partes se someten a un medio corrosivo. En resumen, los factores que en una forma u otra afectan la velocidad y cantidad de carburos precipitados en los aceros inoxidables austeníticos no estabilizados son: 1. La disminución del contenido de carbón reduce la cantidad de carburos formados y en consecuencia será removido del cuerpo del grano menor cantidad de cromo. 2. El incremento de la proporción cromo-carbón reduce el efecto dañino. 3. La prolongación del tiempo. al sostener el trabajo entre 426 y 871ºC (800-1 600ºF), hará mayor la precipitación si se tiene en cuenta que a 648ºC (l 200ºF) se alcanza el punto más critico dentro del rango de sensibilización. 4. Calentando arriba de 1 038ºC (1 900ºF) y aplicando un enfriamiento rápido en agua fría se restaurará, el cromo al cuerpo del grano. Aceros estabilizados Aun cuando los métodos antes mencionados son muy utilizados, la forma más común de controlar la corrosión intergranular especialmente donde se alcanzan las temperaturas críticas de operación o las condiciones de corrosión son severas, es previniendo la formación de carburos de cromo con la adición de Columbio o Titanio a la aleación de cromo-níquel. Con la adición de columbio o titanio al acero, se puede prevenir la precipitación de carburos de cromo, ya que Ing. IFT 61 tanto el columbio como el titanio tienen mayor afinidad por el carbono que por el cromo. Por lo tanto, sé formarán carburos de columbio o carburos de titanio si se agrega uno u otro de estos elementos a la aleación. Ni los carburos de columbio ni los de titanio hacen susceptible al acero a la corrosión intergranular. El columbio es muy utilizado en la estabilización de electrodos ya que una cantidad excesiva de titanio se pierde en la transferencia a través del arco. Como los aceros inoxidables austeníticos que contienen columbio o titanio no son susceptibles a la corrosión intergranular por calentamiento, generalmente se denominan aceros inoxidables estabilizados. Estos aceros pueden trabajar en el rango de 426-471 °C (800-1 600 °F), sin que se afecten sus propiedades de resistencia a la corrosión y no requieren tratamiento térmico. De los aceros inoxidables 18 Cr 8 Ni, los tipos 323 y 347 son considerados aceros estabilizados. El tipo 321 se estabiliza con titanio agregando una cantidad mínima igual a cinco veces el contenido de carbono. El tipo 347 se estabiliza con columbio agregando una cantidad mínima de diez veces el contenido de carbono. Las aleaciones con un contenido de cromo superior al 18% son menos susceptibles a la corrosión intergranular, en consecuencia, los aceros cromo-níquel con un contenido de cromo mayor al 18% normalmente no contienen columbio o titanio. Electrodos En la soldadura de aceros inoxidables austeníticos lo más recomendable es utilizar electrodos que depositen material de la misma composición química que el metal base. Los aceros inoxidables no estabilizados normalmente son soldados con electrodos no estabilizados. Excepto por el costo, no es perjudicial soldar un acero no estabilizado con un electrodo estabilizado. Sin embargo, la adición de columbio no es benéfica debido a que el metal base normalmente es más susceptible a la corrosión intergranular que el material de soldar sin estabilizar, Los aceros inoxidables estabilizados normalmente se sueldan con estabilizados. No es recomendable que los aceros estabilizados sean soldados con material sin estabilizar debido a que el metal depositado es propenso a ser más susceptible a la corrosión intergranular que el metal base. Pérdida de cromo El proceso de soldar parte del contenido de cromo del electrodo que se pierde en la transferencia del arco. Soldando tan rápido como sea posible con un arco corto se reducirá la cantidad de cromo perdida a través del arco. La tendencia a fracturación que en algunas ocasiones se presenta soldando con velocidades lentas puede ser eliminada incrementando la velocidad de soldar. Para aliviar tal situación se puede utilizar una aleación con más alto contenido de cromo. Para minimizar la tendencia a fracturación el contenido de cromo deberá ser aproximadamente el doble que el del níquel. Clasificación La mayoría de los aceros inoxidables austeníticos forjados de la serie 300 comercialmente disponibles, han sido clasificados por el Instituto Americano del Hierro y Acero (AISI), siendo los tipos más comunes los siguientes: AISI TIPO 301 302 302 B 303 303 SE 304 305 308 309 310 316 317 321 347 304 L 308 L 316 L Como se explica en la introducción de este libro, la aplicación de los aceros y aleaciones aquí descritos está referida a aquellos de más uso y enfocada exclusivamente al diseño. construcción y mantenimiento de equipo estático para plantas de proceso. Es por ello que se ha considerado conveniente que los aceros inoxidables austeníticos estén referidos a las especificaciones de la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM); apareciendo enseguida el tipo de la serie 300 de1 acero inoxidable cromo-níquel en cuestión. Ing. IFT 62 4.7 ACEROS 18 CROMO - 8 NIQUEL, TIPO 304 Se consideran de este tipo todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 312, Grado TP-304, TP-304H ASTM-A 213. Orado TP-304, TP-304H ASTM-A 249, Grado TP-304, TP-304H ASTM-A 269, Grado TP-304 ASTM-A 240. Tipo 304 ASTM-A 182. Grado F-304, F-30411 ASTM-A 336, Clase F8 ASTM-A 193, Grado B8. B8A ASTM-A 194, Grado 8 Tubos sin o con costura para alta temperatura Tabos sin costura para calderas e intercambiadores de calor. Tubos con costura para calderas e intercambiadores de calor. Tubos sin o con costura para servicio general. Placas, láminas y tiras para recipientes a presión. Válvulas y conexiones forjadas o roladas. Forjas para recipientes a presión. Tornillería para alta temperatura. Tuercas para alta temperatura. Composición química en porciento: Carbón Manganeso Silicio Cromo Níquel Fósforo Azufre (C) (Mn) (Si) (Cr) (Ni) (P) (S) 0.08 máx. 2.00 máx. 0.75 máx. 18.0-20.0 8.0-11.0 0.040 máx. 0.030 máx. TABLA 4.1 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC 27 149 260 371 482 593 704 815 927 1 038 1 091 Resistencia a la cedencia Kg/cm2 * 2 324 1 859 1 535 1 373 1 275 1 155 972 697 ------------- Resistencia a la tensión Kg/cm2 Alargamiento en % parta 2” (50mm) 5 845 4 817 4 514 4 359 4 225 3 746 2 465 1 268 627 338 239 64 50 42 38 36 35 35 38 45 88 95 Reducción del area en % 70 77 75 73 69 65 51 42 45 69 75 * A 0.2 % de deformación permanente Aplicaciones Los aceros del tipo 304 son los más comunes de los inoxidables austeníticos al cromo-níquel. Se utilizan para manejar la mayoría de materiales corrosivos o para resistir una oxidación muy severa, tienen muy buena resistencia a la deformación plástica y frecuentemente trabajan a temperaturas hasta de 815ºC. Operando dentro del rango de 426-815ºC se precipitan carburos intergranulares y el material se vuelve susceptible a la corrosión intergranular a determinados líquidos corrosivos. Sin embargo, esto no impide su uso en este rango de temperatura. Ing. IFT 63 El tipo 304 está siendo utilizado satisfactoria y económicamente en servicios de alta presión en tuberías para calderas, sobrecalentadores, envolventes y carcazas para recipientes e intercambiadores de calor. Trabajo en caliente Prácticamente son accesibles para todas las operaciones de trabajo en caliente, que por su gran resistencia a alta temperatura se requiere aplicar más energía que la utilizada con aceros ordinarios. El calentamiento debe ser hecho cuidadosamente y no demasiado rápido. Deberá evitarse el uso de combustibles sulfurosos y atmósferas fuertemente reductoras. Se debe precalentar primeramente a 8l6-871ºC y empezar el conformado a 1 149-1 260º C, terminando a 927º C o a temperatura más alta. El doblado de tubos en caliente se recomienda hacerlo a 954-1 010º C. El recocido se hará por recalentamiento a 1 038-1 093º C seguido por un enfriamiento rápido en agua. Cuando este tratamiento sea impracticable puede enfriarse rápidamente después del conformado en caliente. Soldadura Para soldar estos aceros se deben usar electrodos clasificación AWS E308-15, 16. Normalmente no se requiere tratamiento térmico, pero si se especifica puede ser de la siguiente manera: • Recocer a 1 066-1 177º C con enfriamiento de 315º C por minuto, mínimo para propiedades máximas. • Estabilizar a 871-899º C dos horas por pulgada (25 mm) de espesor, enfriar en aire calmado. • Relevar esfuerzos a 871-899º C una hora por pulgada (25 mm) de espesor, enfriar al aire. TABLA 4.2 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad De deformación plástica de : Temperatura ºC 538 593 648 704 760 815 Ing. IFT 0.0001% / hora (1% en 10 000 horas) 1 796 1 162 760 493 324 211 0.0001% / hora (1% en 100 000 horas) 1 260 782 507 317 204 127 Esfuerzo (Kg/cm2) de ruptura en: 1 000 horas 10 000 horas 3 507 2 183 1 338 838 542 331 100 000 horas 2 535 1 563 972 598 373 232 1 817 1 113 690 422 260 162 64 TABLA 4.3 ESFUERZO DE TENSIÓN MÁXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS. ACEROS 18 CROMO-8 NIQUEL Especificación ASTM A 312, Grado TP304 A 213, Grado TP304 A 249, Grado TP304 A 240, Tipo 304 A 182, Grado F-304 A 336, Ci F8 Descripción Resistencia a la tensión min. Kg/cm2 Esfuerzo (Kg/cm2) de tensión máximo permitido. Temperatura del metal en ºC -29 a 38 399 454 510 593 Tubos con o sin costura Tubos o fluses sin costura Tubos o fluses con costura Placas Forjas 5 282 1 320 993 975 944 613 5 282 1 320 993 975 944 613 5 282 1 123 845 827 803 528 5 282 5 282 1 320 1 292 993 993 975 975 944 944 613 613 Forjas 4 929 1 232 926 908 873 613 Recomendaciones para la soldadura de aceros 18 cromo-8 níquel a aceros: 18 cromo-8 níquel-Ti (18 Cr-8 Ni-Ti) Tipo 321 Electrodos tipo 19 Cr-9 Ni clasificación AWS E308-15,16. Precalentar a 38º C cuando la temperatura del aire sea menor que 10º C o el espesor del material exceda de ¾” (19mm). Normalmente no se requiere tratamiento térmico, pero cuando se especifica puede ser como se indica a continuación. Reconocer a 1 066- 1 177º C con enfriamiento controlado de 315º C por minuto, mínimo para propiedades máximas. Estabilizar a 871-899º C, 2 horas por pulgada (25mm) de espesor; enfriar en aire calmado. Relevar esfuerzos a 871-899º C, 1 hora por pulgada (25mm) de espesor; enfriar al aire. 18 cromo-8 níquel Cb (18 Cr-8 Ni Cb) Tipo 347 Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti, Tipo 321. 18 cromo-8 níquel Mo (18 Cr-8 Ni Mo) Tipo 316 25 cromo-12 níquel (25 Cr-12 Ni) Tipo 309 25 cromo-20 níquel (25 Cr-12 Ni) Tipo 310 Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti, Tipo 321. Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti, Tipo 321. Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Ti, Tipo 321. Las recomendaciones para la soldadura de estos aceros a aceros bajo carbón, medio carbón, carbón-1/2 molibdeno, 1/2 cromo-1/2 molibdeno 1 cromo-1/2 molibdeno, 1 1/4 cromo-1/2 molibdeno, 2 1/4 cromo-1 molibdeno, 3 cromo-1 molibdeno, 5 cromo-1/2 molibdeno aparecen en cada uno de estos aceros en el renglón correspondiente a 18 cromo-8 níquel (18 Cr-8 Ni), Tipo 304. Ing. IFT 65 4.8 ACEROS18 CROMO-8 NÍQUEL, BAJO CARBÓN, TIPO 304 L Se consideran de este tipo todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 312, Grado TP-304L ASTM-A 213, Grado TP-304L ASTM-A 249, Grado TP-304L ASTM-A 269, Grado TP-304L ASTM-A 240, Tipo 304L ASTM-A 182, Grado F-304L ASTM-A 473, Tipo 304L ASTM-A 479, Tipo 304L Tubería sin o con costura para alta temperatura. Tubos o fluses sin costura para calderas e intercambiadores de calor. Tubos o fluses con costura para calderas e intercambiadores de calor. Tubos son o con costura para servicio general. Placas, laminas y tiras para recipientes a presión. Conexiones y válvulas forjadas o roladas. Forjas para alta temperatura. Barras y perfiles para recipientes a presión. Composición química en porciento: Carbón Manganeso Silicio Cromo Níquel Fósforo Azufre (C) (Mn) (Si) (Cr) (Ni) (P) (S) 0.035 máx. 2.00 máx. 0.75 máx. 18.0-20.0 8.0-13.0 0.040 máx. 0.030 máx. TABLA 4.4 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA. Temperatura ºC Resistencia a la cedencia Kg/cm2 * 27 149 260 371 482 593 704 815 927 1 038 1 093 2 155 1 817 1 528 1 310 1 169 1 056 887 662 ------------- Resistencia a la tensión Kg/cm2 5 831 4 697 4 239 4 070 3 824 3 303 2 211 1 113 528 282 211 Alargamiento en % para 2” (50mm) 60 50 40 38 35 35 30 40 55 70 80 Reducción del area en % 55 45 45 40 39 40 35 40 63 80 83 * A 0.2% de deformación permanente. Ing. IFT 66 TABLA 4.5 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURAS A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad de deformación plástica de: 0.0001% /hora 0.00001% / hora (1% en 10 000 (1% en 100 000 horas) horas) 538 593 648 704 760 815 ----542 352 225 148 91 Esfuerzo (Kg/cm2) de roptura en: 1 000 horas ----359 232 149 91 63 10 000 horas 2 296 1 479 958 613 401 246 100 000 horas 1 760 1 098 683 422 260 162 1 173 817 486 289 169 106 TABLA 4.6 ESFUERZO DE TENSIÓN MÁXIMO PERMITIDOA A DIFERENTES TEMPERATURAS, ACEROS 18 CROMO-8 NIQUEL BAJO CARBONO (L) Especificación ASTM A 312 Grado TP-304L A 213 Grado TP-304L A 249 Grado TP-304L A 240 Tipo 304L A 182 Grado F 314L Descripción Tubería sin costura Tubos o fluses sin costura Tubos o fluses con costura Placas Forjas Resistencia a la tensión min. Kg/cm2 Esfuerzo (Kg/cm2) de tensión máximo permitido temperatura de metal º C: -29 a 38 204 315 371 426 4 929 4 929 1 049 1 232 898 1 056 778 915 718 845 658 775 4 929 1 049 898 778 718 658 4 929 4 577 1 232 1 144 1 056 1 056 915 915 845 845 775 775 Aplicaciones El bajo contenido de carbón en estos aceros imparte buena resistencia a la corrosión intergranular resultante de la soldadura. Pueden trabajarse hasta 899º C y resistir a la oxidación satisfactoriamente. Si existe el riesgo de corrosión intergranular por operaciones cíclicas con el medio líquido, la temperatura máxima de operación deberá ser limitada a 426º C. Su comportamiento en el manejo de ácido carbónico CO2 es excelente aun en presencia de humedad. Trabajo en caliente Prácticamente son accesibles para todas las operaciones de trabajo en caliente empleándose mayor energía en cada una por su alta resistencia a temperaturas elevadas en comparación con los aceros ordinarios. Se debe precalentar a 815º C, empezar a forjar a 1 149-1 260º C, terminando a 927º C o a temperaturas más altas. El doblado de tubos se recomienda hacerse a 982-1 038º C. Evítese utilizar combustibles con alto contenido de azufre y atmósferas fuertemente reductoras. Resulta satisfactorio un enfriamiento al aire después del conformado. Si es necesario hacer un recocido, éste deberá ser a 1 010º C y enfriar al aire desde esa temperatura. Ing. IFT 67 Soldadura Deben utilizarse electrodos clasificación AWS E308L-l5, 16. De ser necesario un tratamiento térmico se debe aplicar un recocido en la forma antes descrita. 4.9 ACEROS 18 CROMO-8 NÍQUEL Ti, TIPO 321 Se consideran de este tipo todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 312, Grado TP-321, 321H ASTM-A 213. Grado TP-321. 321H ASTM-A 249, Grado TP-321, 321H ASTM-A 240, Tipo 321 ASTM-A 182, Grado F32l. 321H ASTM-A 336, Clase F8T ASTM-A 193, Grado B8T, B8TA ASTM-A 194, Grado 8T Tubería sin o con costura para alta temperatura. Tubos o fluses sin costura para calderas e intercambiadores de calor. Tubos o fluses con costura para calderas e intercambiadores de calor. Placas, láminas y tiras para recipientes a presión. Conexiones y válvulas forjadas o roladas. Forjas para recipientes a presión. Tornillería para alta temperatura. Tuercas para alta temperatura. Composición química en porciento: Carbón Manganeso Silicio Fósforo Azufre Cromo Níquel Titanio (C) (Mn) (Si) (P) (S) (Cr) (Ni) (Ti) 0.08 máx. 2.00 máx. 0.75 máx. 0.040 máx. 0.030 máx. 17.0-20.0 9.0-13.0 5 x C (min), 0.60 máx. TABLA 4.7 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC Resistencia a la cedencia Kg/cm2 * 27 149 260 371 482 593 704 815 927 1 038 1 091 2 282 1 937 1 739 1 606 1 472 1 324 1 155 944 ------------- Resistencia a la tensión Kg/cm2 5 915 4 789 4 401 4 225 3 972 3 472 2 676 1 620 880 472 282 Alargamiento en % para 2” (50mm) 60 52 45 40 37 37 48 70 60 65 85 Reducción del área en % 72 70 69 68 68 68 71 75 80 78 80 * A 0.2% de deformación permanente. Ing. IFT 68 TABLA 4.8 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad de deformación plástica de: 482 538 593 648 704 760 815 0.0001% / hora (1% en 10 000 horas) --------1 429 845 500 296 176 0.00001% / hora (1% en 100 000 horas) --------873 493 282 162 91 Esfuerzo (Kg/cm2) de ruptura en: 1 000 horas 10 000 horas ----3 803 2 465 1 570 979 620 387 100 000 horas ----2 817 1 746 1 070 648 394 239 ----2 042 1 225 725 429 253 148 TABLA 4.9 ESFUERZO DE TENSIÓN MÁXIMO PERMITIDO A DIFERNTES TEMPERATURAS, ACEROS 18 CROMO-8 NIQUEL-Ti Especificación ASTM A 321, Grado TP-321, 321H A 213, Grado TP-321, 321H A 249, Grado TP-321, 321H A 240, Tipo 321 A 182, Grado F-321H A336, Cl F8t Descripción Tubería sin costura Resistencia a la tensión min. Kg/cm2 5 282 Esfuerzo (Kg/cm2) de t6ensión máximo permitido. Temperatura del metal en º C 260 a -29 a 38 538 593 648 426 986 1 063 1 320 310 641 Tubos o fluses sin costura Tubos o fluses con costura Placas 5 282 1 320 1 063 986 641 310 5 282 1 123 905 838 546 264 5 282 1 320 1 063 986 641 310 Forjas Forjas 5 282 4 929 1 320 1 232 1 063 993 986 929 641 641 310 310 Aplicaciones Son las mismas que para el tipo 304, únicamente que con la adición de titanio se imparte inmunidad sustancial a la corrosión intergranular, por lo que se utiliza ampliamente donde se requiere buena resistencia a esta clase de corrosión. Trabajo en caliente Debe evitarse utilizar combustible con alto contenido de azufre y atmósferas reductoras. Precalentar a 816-871º C y empezar el trabajo en caliente a 1 149-1 260º C terminando a 927º C o a temperatura más alta. El doblado de tubos debe hacerse a 954-1 010º C. Déjese enfriar al aire después del conformado en caliente, esto es adecuando para retener buena resistencia a la corrosión. Cuando es necesario un recocido éste debe hacerse a 1 091º C seguido de un enfriamiento rápido preferentemente en agua. Soldadura En la soldadura de estos aceros deben utilizarse electrodos clasificación AWS E347-15,16. Por presentar menos tendencia a la formación de componentes integrales de baja fisión, y en consecuencia, para Ing. IFT 69 disminuir la fracturación intergranular del metal base en la línea de fusión, estos aceros tienen preferencia sobre los inoxidables tipo 347 en espesores de pared desde: 1” (25 mm) y mayores. Cuando la temperatura de operación sea de 426º C o mayor, se recomienda utilizar electrodos clasificación AWS ENi Cr Fe-3. Normalmente no se requiere tratamiento térmico, pero si se específica puede hacerse de la manera siguiente: – – – Recocer a 1 066-1 177º C con enfriamiento controlado dc 315º C por minuto mínimo, para propiedades máximas. Estabilizar a 871-l 899º C, 2 horas por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar en aire calmado. Relevar esfuerzos a 871-899º C, 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor. enfriar al aire. Recomendaciones para la soldadura dc aceros 18 cromo-8 níquel-Ti, Tipo 321 a aceros: 18 cromo-8 níquel-Cb (18 Cr-8 Ni-Cb) Tipo 347 Electrodos clasificación AWS E347Cb-l5,16; si se presentan problemas de soldabilidad en las piezas por soldar, o si la temperatura de operación es de 426º C o mayor, se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. Precalentar a 38º C cuando la temperatura del aire sea inferior a 10º C o el espesor del material exceda de 3/4" (19 mm). Normalmente no se requiere tratamiento térmico, pero si se especifica, puede ser como sigue: Recocer a 1 066-1 177º C con enfriamiento controlado de 315º C por minuto mínimo para propiedades máximas. Estabilizar a 871-899º C, 2 horas por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar en aire calmado. Relevar esfuerzos a 871-899º C, 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar al aire. 18 cromo-8 níquel-Mo (18 Cr-8 Ni-Mo) Tipo 316 Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Cb, Tipo 347 25 cromo-12 níquel (25 Cr-12 Ni) Tipo 309 Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Cb, Tipo 347 25 cromo-20 níquel (25 Cr-20 Ni) Tipo 310 Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Cb, Tipo 347 Las recomendaciones para la soldadura de estos aceros a aceros bajo carbón, medio carbón ,carbón-1/2 molibdeno, l/2 cromo-l/2 molibdeno, 1 cromo-l/2 molibdeno, 1 1/4 cromo-1/2 molibdeno, 2 1/4 cromo-1 molibdeno, 3 cromo-1 molibdeno, 5 cromo-1/2 molibdeno, 18 cromo-8 níquel tipo 304 aparecen en cada uno de estos aceros en el rengón correspondiente a 18 cromo-8 níquel-Ti (18 Cr-8 Ni-Ti), tipo 321. 4.10 ACEROS 18 CROMO-8 NÍQUEL Cb, TIPO 347 Se consideran de este tipo todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 312, Grado TP-347, 347H, 348, 348H ASTM-A 213, Grado TP-347, 347H, 348, 348H Ing. IFT Tubería sin o con costura para alta temperatura. Tubos o fluses sin costura para calderas e intercambiadores de calor. 70 ASTM-A 249, Grado TP-347, 347H, 348. 348H ASTM-A 240, Tipo 347,348 Tubos o fluses con costura para calderas e intercambiadores de calor.. Placas, láminas y tiras para recipientes a presión. ASTM-A 182, Grado F347, 347H, 348, 348H ASTM-A 336, Clase F8C Conexiones y válvulas forjadas o roladas. Forjas para recipientes a presión ASTM-A 193, Grado B8C, B8CA Tornillería para alta temperatura. ASTM-A 194, Grado 8C Tuercas para alta temperatura. Composición química en porciento: Carbón Manganeso Silicio Cromo Níquel Fósforo Azufre Columbio + Tantalio (C) (Mn) (Si) (Cr) (Ni) (P) (S) (Cb + Ta) 0.08 máx. 2.00 máx. 0.75 máx. 17.0-20.0 9.0-13.0 0.040 máx. 0.030 máx. 10 x C (min.) a 1.0 máx. TABLA 4.10 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC Resistencia a la cedencia Kg/cm2 * 27 149 260 371 482 593 704 815 927 1 038 1 091 2 394 2 084 1 901 1 775 1 662 1 549 1 437 1 239 ------------- Resistencia a la tensión Kg/cm2 6 338 5 204 4 859 4 718 4 507 4 014 2 852 1 690 1 021 704 352 Alargamiento en % para 2” (50mm) 48 42 35 33 34 38 49 69 22 18 63 Reducción del área en % 69 76 75 71 68 67 72 92 40 50 71 * A 0.2% de deformación permanente. Ing. IFT 71 TABLA 4.11 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS A LA DERORMACION PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad de deformación plástica de: 538 593 648 704 760 815 0.0001% / hora (1% en 10 000 horas) 3 732 1 937 1 042 549 289 155 0.00001% / hora (1% en 100 000 horas) 2 149 1 141 613 331 176 91 Esfuerzo (Kg/cm2) de ruptura en: 1 000 horas 10 000 horas 4 366 2 535 1 479 901 514 296 100 000 horas 3 380 1 937 1 098 634 359 204 2 641 1 465 810 451 253 141 Aplicaciones Con el columbio y el tantalio agregados, los aceros adquieren las mismas propiedades de resistencia contra la corrosión intergranular que de tipo 321, pero a temperaturas elevadas su resistencia mecánica es mayor. Como presenta tendencia a la formación de componentes intergranulares de bajo punto de fusión y a la fracturación intergranular del metal, su aplicación queda limitada hasta 1”(25 mm) de espesor. Para un espesor mayor se recomienda utilizar el tipo 321, ajustándose desde luego a las condiciones de diseño. Trabajo en caliente Deben evitarse combustibles con alto contenido de azufre y atmósferas altamente reductoras. Precalentar a 816-871º C e iniciar el trabajo en caliente a 1 149-1 260º C, terminando a 927º C o más alto. El doblado en caliente de tubos debe hacerse a 954-1 010º C. Después del trabajo en caliente se puede enfriar al aire para obtener buena resistencia a la corrosión. Si es necesario un recocido. éste debe hacerse a 1 091º C, seguido de un enfriamiento rápido en agua para asegurar buena resistencia a la corrosión. TABLA 4.12 ESFUERZO DE TENSIÓN MÁXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS, ACEROS 18 CROMO-8 NIQUEL Cb Especificación ASTM A 312, Grado TP-347, 347H A 213, Grado TP-347, 347H A 249, Grado TP-347, 347H A 240, Tipo 347, 348 A 182, Grado F-347, 347H A 336, Cl F8C Ing. IFT Descripción Resistencia a la tensión min. Kg/cm2 Esfuerzo (Kg/cm2) de t6ensión máximo permitido. Temperatura del metal en º C 260 a 538 593 648 -29 a 38 426 Tubería sin costura 5 282 1 320 1 063 986 641 310 Tubos o fluses sin costura Tubos o fluses con costura Placas 5 282 1 320 1 063 986 641 310 5 282 1 123 905 838 546 264 5 282 1 320 1 063 986 641 310 Forjas Forjas 5 282 4 929 1 320 1 232 1 063 993 986 929 641 641 310 310 72 Soldadura Estos tipos de aceros se deben soldar con electrodos clasificación AWS E347-15, 16. Cuando la temperatura de operación sea de 426º C o mayor se recomienda aplicar electrodos AWS ENi Cr Fe-3 Normalmente no se requiere tratamiento térmico, pero si se especifica puede hacerse de la manera siguiente: – Recocer a 1 066-1 I77º C con enfriamiento controlado de 315º C por minuto mínimo, para propiedades máximas. – Estabilizar a 87 l-899º C, 2.horas por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar en aire calmado. – Relevar esfuerzos a 871-899º C, 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar al aire Recomendaciones para la soldadura de aceros 18 cromo-8 níquel-Cb, Tipo 347 a aceros: 18 cromo-8 níquel-Cb (18 Cr-8 Ni-Cb) Tipo 347 Electrodos clasificación AWS E347Cb-l5,16; si se presentan problemas de soldabilidad en las piezas por soldar, o si la temperatura de operación es de 426º C o mayor, se recomienda utilizar electrodos AWS ENi Cr Fe-3, ENi Cr Fe-2. Precalentar a 38º C cuando la temperatura del aire sea inferior a 10º C o el espesor del material exceda de 3/4" (19 mm). Normalmente no se requiere tratamiento térmico, pero si se especifica, puede ser como sigue: Recocer a 1 066-1 177º C con enfriamiento controlado de 315º C por minuto mínimo para propiedades máximas. Estabilizar a 871-899º C, 2 horas por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar en aire calmado. Relevar esfuerzos a 871-899º C, 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar al aire. 25 cromo-12 níquel (25 Cr-12 Ni) Tipo 309 Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Mo, Tipo 316 25 cromo-20 níquel (25 Cr-20 Ni) Tipo 310 Lo mismo que para aceros 18 cromo-8 níquel-Mo, Tipo 316 Las recomendaciones para la soldadura de estos aceros a aceros bajo carbón, medio carbón, carbón-1/2 molibdeno, 1/2 cromo1/2 molibdeno, 1 cromo-1/2 molibdeno, 1 1/4 cromo-1/2 molibdeno, 2 1/4 cromo-1 molibdeno, 3 cromo-1 molibdeno, 5 cromo-1/2 molibdeno, 18 cromo-8 níquel, tipo 304, 18 cromo-8 níquel-Ti. tipo 321 aparecen en cada uno de estos aceros en el renglón correspondiente a 18 cromo-8 níquel-Cb (18 Cr-8 Ni-Cb), tipo 347. 4.11 ACEROS 18 CROMO-8 NÍQUEL Mo, TIPO 316 Se consideran de este tipo todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 312. Grado TP-316, 316H ASTM-A 213. Grado TP-316, 316H ASTM-A 249, Grado TP-316, 316H ASTM-A 269. Grado TP-316 ASTM-A 240, Tipo 316 ASTM-A 182, Grado F-316, 316H ASTM-A 336, Clase F8m ASTM-A 193, Grado B8M, B8MA ASTM-A 194, Grado 8M Ing. IFT Tubería sin o con costura para alta temperatura. Tubos o fluses sin costura para calderas e intercambiadores de calor. Tubos o fluses con costura para calderas e intercambiadores de calor. Tubos sin o con costura para servicio general. Placas, láminas y tiras para recipientes a presión. Conexiones y válvulas forjadas o roladas. Forjas para recipientes a presión. Tornillería para alta temperatura. Tuercas para alta temperatura. 73 Composición química en porciento: Carbón Manganeso Silicio Cromo Níquel Molibdeno Fósforo Azufre (C) (Mn) (Si) (Cr) (Ni) (Mo) (P) (S) 0.08 máx. 2.00 máx. 0.75 máx. 16.0-18.0 11.0-14.0 2.0-3.0 0.040 máx. 0.030 máx. Aplicaciones Con la adición del molibdeno se incrementa fuertemente su resistencia a la deformación pláastica. Pueden trabajar con buenas propiedades de resistencia hasta 815º C y resistir a la oxidación hasta 899º C. ti En intercambiadores de calor y tonos de proceso donde se maneja Monoetanolamina (MEA) su aplicación es muy satisfactoria. Trabajo en caliente Prácticamente es accesible para todas las operaciones de trabajo en caliente, aunque por su alta resistencia se requiere más energía que los aceros ordinarios. El calentamiento debe aplicarse cuidadosamente y no demasiado rápido. Deben evitarse combustibles con alto contenido de azufre y atmósferas fuertemente reductoras en el calentamiento para el conformado o en recocido. Precaliéntese a 815-871º C e iníciese el trabajo a 1 149-1 260º C, terminando a 927º C o más alto. El doblado de tubos debe hacerse a 954- 1 010º C. Se recomienda un enfriamiento rápido después del conformado si el recocido es impracticable. De ser práctico, se debe aplicar a 1 038-1 093º C seguido de un enfriamiento rápido en agua. Soldadura Estos aceros deben soldarse con electrodos tipo 18 Cr-12 Ni-Mo, clasificación AWS E316-l5, 16. Cuando la temperatura de operación sea de 426º C o mayor, se recomienda utilizar electrodos clasificación AWS ENi Cr Fe-2. Normalmente no se requiere tratamiento térmico, pero si se especifica puede hacerse de la manera siguiente: – Recocer a 1 066-1 177º C con un enfriamiento controlado de 315º C por minuto mínimo, para propiedades máximas. – Estabilizar a 87 l-899º C, 2 horas por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar en aire calmado. – Relevar esfuerzos a 871-899º C, 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar al aire. Ing. IFT 74 Recomendaciones para la soldadura de aceros 18 cromo-8 níquel-Mo. Tipo 316 a aceros: 25 cromo-12 níquel (25 Cr-12 Ni) Tipo 309 25 cromo-20 níquel (25 Cr-20 Ni) Tipo 310 Electrodos clasificación AWS E316-l5,16; Precalentar a 38º C cuando la temperatura del aire sea inferior a 10º C o el espesor del material exceda de 3/4" (19 mm). Cuando la temperatura de operación sea de 426º C o mayor, se recomienda aplicar electrodos clasificación AWS ENi Cr Fe-2. Normalmente no se requiere tratamiento térmico, pero si se especifica, puede ser como sigue: Recocer a 1 066-1 177º C con enfriamiento controlado de 315º C por minuto mínimo para propiedades máximas. Estabilizar a 871-899º C, 2 horas por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar en aire calmado. Relevar esfuerzos a 871-899º C, 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar al aire. Lo mismo que para aceros 25 cromo-12 níquel, Tipo 309 Las recomendaciones para la soldadura de estos aceros a aceros bajo carbón, medio carbón, carbón-1/2 molibdeno, 1/2 cromo-1/2 molibdeno, 1 cromo-1/2 molibdeno, 1 1/4 cromo-1/2 molibdeno, 2 1/4 cromo-1 molibdeno, 3 cromo-1 molibdeno, 5 cromo-1/2 molibdeno, 18 cromo-8 níquel, tipo 304, 18 cromo-8 níquel-Ti, tipo 321, 18 cromo-8 níquel-Cb tipo 347 aparecen en cada uno de estos aceros en el renglón correspondiente a 18 cromo-8 níquel-Mo (18Cr-8 Ni-Mo), tipo 316. TABLA 4.13 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSION A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC Resistencia a la cedencia Kg/cm2 * 27 149 260 371 482 593 704 815 927 1 038 1 093 2 465 2 056 1 760 1 620 1 514 1 429 1 338 1 128 ------------- Resistencia a la tensión Kg/cm2 5 634 5 282 5 141 5 106 4 944 4 613 3 521 1 901 817 394 282 Alargamiento en % para 2” (50mm) 65 53 49 47 47 44 43 42 67 60 75 Reducción del área en % 77 77 75 69 69 63 58 55 60 47 55 * A 0.2% deformación permanente. Ing. IFT 75 TABLA 4.14 PROPIEDAES CARACTERÍSTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad de deformación plástica de: 538 593 648 704 760 815 0.0001% / hora (1% en 10 000 horas) 2 500 1 584 1 000 627 394 253 0.00001% / hora (1% en 100 000 horas) 1 415 873 556 338 211 134 Esfuerzo (Kg/cm2) de ruptura en: 1 000 horas 10 000 horas 3 521 2 394 1 620 1 084 725 472 100 000 horas 3 028 1 866 1 141 697 422 260 2 606 1 465 803 444 246 141 TABLA 4.15 ESFUERZOS DE TENSIÓN MÁXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS. ACEROS 18 CROMO-8 NIQUEL Mo Especificación ASTM A 312, Grado TP-316 A 213, Grado TP-316 A 249, Grado TP-316 A 240, Tipo 316 A 182, Grado F-316 A 336, Cl F8m Descripción Resistencia a la tensión min. Kg/cm2 Esfuerzo (Kg/cm2) de t6ensión máximo permitido. Temperatura del metal en º C 260 a -29 a 38 538 593 648 426 Tubería sin o con costura Tubos o fluses sin costura Tubos o fluses con costura Placas Forjas 5 282 1 320 1 127 986 845 489 5 282 1 320 1 127 986 845 489 5 282 1 123 958 838 718 415 5 282 5 282 1 320 1 320 1 127 1 127 986 986 845 845 489 489 Forjas 4 929 1 232 1 053 951 817 489 4.12 ACEROS 18 CROMO-8 NIQUEL Mo-L, TIPO 316 L Se consideran aceros de este tipo todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 312, Grado TP-316L ASTM-A 213, Grado TP-316L ASTM-A 249. Grado TP-316L ASTM-A 269, Grado TP-316L ASTM-A 240, Tipo 316L ASTM-A 182, Grado F316L ASTM-A 473. Tipo 316L ASTM-A 479. Tipo 316L Ing. IFT Tubería sin o con costura para alta temperatura. Tubos o fluses sin costura para calderas e intercambiadores de calor. Tubos o fluses con costura para calderas e intercambiadores de calor. Tubos con o sin costura para servicio general. Placas, láminas y tiras para recipientes a presión. Conexiones y válvulas forjadas o roladas. Forjas para alta temperatura. Barras y perfiles para recipientes a presión. 76 Composición química en porciento: Carbón Manganeso Silicio Cromo Níquel Molibdeno Fósforo Azufre (C) (Mn) (Si) (Cr) (Ni) (Mo) (P) (S) 0.035 máx. 2.00 máx. 0.75 máx. 16.0-18.0 10.0-15.0 2.0-3.0 0.040 máx. 0.030 máx. TABLA 4.16 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC Resistencia a la cedencia Kg/cm2 * 27 149 260 371 482 593 704 815 Resistencia a la tensión Kg/cm2 2 155 1 620 1 373 1 197 1 070 1 028 944 796 Alargamiento en % para 2” (50mm) 5 598 4 613 4 296 4 296 4 211 3 683 2 669 1 620 Reducción del área en % 70 45 40 40 38 40 40 42 75 60 65 60 60 65 50 45 * A 0.2% de deformación permanente TABLA 4.17 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC 538 593 648 704 760 815 Ing. IFT Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad Esfuerzo (Kg/cm2) de deformación plástica de: de ruptura en: 0.0001% / hora (1% en 10 000 horas) 1 655 986 584 345 204 127 0.00001% / hora (1% en 100 000 horas) 1 584 845 451 246 134 70 1 000 horas 10 000 horas 100 000 horas 3 169 2 113 1 408 915 613 402 2 746 1 655 1 000 598 359 211 2 429 1 303 711 387 211 113 77 TABLA 4.18 ESFUERZO DE TENSIÓN MÁXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS. ACEROS 18 CROMO-8 NIQUEL Mo-L Especificación ASTM A 312, Grado TP-316L A 213, Grado TP-316L A 249, Grado TP-316L A 240, Tipo 316L A 182, Grado F-316L A 473, Tipo 316L Descripción Resistencia a la tensión min. Kg/cm2 Esfuerzo (Kg/cm2) de t6ensión máximo permitido. Temperatura del metal en º C -29 a 38 149 260 371 454 Tubería sin o con costura Tubos o fluses sin costura Tubos o fluses con costura Placas 4 929 1 232 1 113 986 933 863 4 929 1 232 1 113 986 933 863 4 929 1 049 947 838 792 732 4 929 1 232 1 113 986 933 863 Forjas 4 577 1 144 1 074 986 933 863 Aplicaciones. Las aplicaciones para alta temperatura son las mismas que para el tipo 316, excepto que se reduce el contenido de carbón para proporcionar resistencia a la corrosión intergranular resultante de la soldadura y del relevado de esfuerzos. Resisten la oxidación a 899º C. Si existe el peligró de corrosión intergranular del medo líquido por operaciones cíclicas, la temperatura máxima de operación debe limitarse a 426º C. Estos aceros son ampliamente utilizados en equipos de proceso donde las condiciones de corrosión son severas, pero las temperaturas son moderadas. Trabajo en caliente Prácticamente son accesibles para todas las operaciones de trabajo en caliente, empleándose mayor energía en cada una por su alta resistencia a temperaturas elevadas en comparación con aceros ordinarios. Se debe precalentar a 815º C, iniciar el forjado a 1 149-1 260º C. terminando a 927º C o más arriba de esa temperatura. El doblado de tubos se recomienda hacerse a 982-1 038º C. En todas las operaciones de conformado en caliente, debe evitarse utilizar combustibles con alto contenido de azufre y atmósferas fuertemente reductoras. Enfriar al aire después del trabajo en caliente proporciona buena resistencia a la corrosión intergranular, pero si es necesario aplicar un recocido, éste deberá hacerse a 1 038-1 093º C y enfriar al aire desde esa temperatura. Soldadura Para soldar estos aceros se utilizan electrodos clasificación AWS E316L-15,16. Si se requiere un tratamiento térmico posterior se procede a hacer un recocido en la forma antes descrita. 4.13 ACEROS 25 CROMO-12 NÍQUEL, TIPO 309 Se consideran aceros de este tipo todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 312, Grado TP-309 ASTM-A 249, Grado TP-309 ASTM-A 240, Tipo 309S ASTM-A 473, Tipo 309,309S ASTM-A 276, Tipo 309.309S Ing. IFT Tubería sin o con costura para alta temperatura Tubos o fluses con costura para calderas e intercambiadores de calor Placas, Láminas y tiras para recipientes a presión. Forjas para alta temperatura. Barras y perfiles para alta temperatura. 78 Composición química en porciento: Carbón Manganeso Silicio Cromo Níquel Fósforo Azufre (C) (Mn) (Si) (Cr) (Ni) (P) (S) 0.15 máx. 2.00 máx. 0.75 máx. 22.0-24.0 12.0-15.0 0.040 máx. 0.030 máx. Aplicaciones El alto contenido de cromo y níquel en esta aleación mejora la resistencia a la corrosión y aumenta su resistencia a la oxidación a 1 093º C. Su resistencia a la deformación plástica es ligeramente mejor que la del acero inoxidable tipo 304 pero menor a la del tipo 316. TABLA 4.19 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC Resistencia a la cedencia Kg/cm2 * Resistencia a la tensión Kg/cm2 Alargamiento en % para 2” (50mm) Reducción del área en % 27 149 260 371 482 593 704 815 927 1 038 1 093 2 577 2 479 2 338 2 169 1 958 1 746 1 521 1 282 ------------- 5 789 5 655 5 422 5 211 4 849 4 225 3 028 1 901 1 127 598 282 52 48 45 42 39 37 36 38 45 58 71 72 70 67 64 57 43 49 42 43 61 73 * A 0.2% de deformación permanente. TABLA 4.20 PROPIEDAES CARACTERÍSTICAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC 426 482 538 593 648 704 760 815 Ing. IFT Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad de deformación plástica de: 0.0001% / hora (1% en 10 000 horas) 2 570 1 620 1 127 775 493 282 141 70 0.00001% / hora (1% en 100 000 horas) 1 796 1 134 732 493 296 141 70 28 Esfuerzo (Kg/cm2) de ruptura en: 10 000 horas 100 000 horas ----4 225 2 958 2 056 1 352 775 479 289 1 000 horas ----3 873 2 577 1 725 1 007 542 303 176 79 TABLA 4.21 ESFUERZO DE TENSIÓN MÁXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS, ACEROS 25 CROMO-12 NIQUEL TIPO 309 Especificación ASTM A 312, Grado TP-309 A 249, Grado TP-309 A 240, Tipo 309s Descripción Tubería sin o con costura Tubos o fluses con costura Placas Resistencia a la tensión min. Kg/cm2 Esfuerzo (Kg/cm2) de t6ensión máximo permitido. Temperatura del metal en º C -29 a 38 315 426 538 648 5 282 1 320 1 077 1 049 739 268 5 282 1 123 915 891 627 229 5 282 1 320 1 077 1 049 739 268 Trabajo en caliente Son accesibles a todas las operaciones de trabajo en caliente requiriendo más energía por su mayor resistencia a altas temperaturas en comparación con los aceros ordinarios. El calentamiento debe ser cuidadoso y no muy rápido. Debe evitarse el uso de combustibles con alto contenido de azufre y atmósferas fuertemente reductoras. Para cada trabajo en caliente se debe precalentar primeramente a 816-871º C e iniciar el conformado a 1 1491 260º C terminando a 927º C o más arriba de esta temperatura. El doblado de tubos se debe hacer a 982-1 010º C y los forjados terminarlos a 982º C o más arriba. Se debe aplicar un recocido en solución a 1 093-1 149º C con enfriamiento rápido. Soldadura Para soldar estos aceros utilícense electrodos clasificación AWS E309-15, 16; E309 Cb-15, 16. Cuando la temperatura de operación sea de 426º C o mayor se recomienda aplicar electrodos AWS ENi Cr Fe-3. Normalmente no se requiere tratamiento térmico, pero si se específica puede hacerse de la siguiente manera: – Recocer a 1 066-1 177º C con enfriamiento controlado de 315º C por minuto mínimo, para propiedades máximas. – Estabilizar a 871-899º C, 2 horas por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar en aire calmado. – Relevar esfuerzos a 871-899º C, 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar al aire. Recomendaciones para la soldadura de aceros 25 cromo-l2 níquel, tipo 309 a aceros: 25 cromo-20 níquel (25 Cr-20 Ni) Tipo 310 Ing. IFT Electrodos clasificación AWS E309-l5,16; E310-15, 16. Precalentar a 38º C cuando la temperatura del aire sea inferior a 10º C o el espesor del material exceda de 3/4" (19 mm). Cuando la temperatura de operación sea de 426º C o mayor, se recomienda aplicar electrodos clasificación AWS ENi Cr Fe-3; ENi Cr Fe-2. Normalmente no se requiere tratamiento térmico, pero si se especifica, puede ser: recocer a 1 066-1 177º C con enfriamiento controlado de 315º C por minuto mínimo para propiedades máximas. Estabilizar a 871-899º C, 2 horas por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar en aire calmado. Relevar esfuerzos a 871-899º C, 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar al aire. 80 Las recomendaciones para la soldadura de estos aceros a aceros bajo carbón, medio carbón. Carbón-1/2 molibdeno, l/2 cromo-1/2 molibdeno, 1 cromo-1/2 molibdeno, 1 1/4 cromo-l/2 molibdeno, 2 1/4 cromo-1 molibdeno, 3 cromo-1 molibdeno, 5 cromo-1/2 molibdeno, l8 cromo-8 níquel, tipo 304, l8 cromo-8 níquel Ti, tipo 321, 18 cromo-8 níquel Cb, tipo 347. 18 cromo-8 níquel, Mo, tipo 316, aparecen en cada uno de estos aceros en el renglón correspondiente a 25 cromo-12 níquel (25 Cr-12 Ni), tipo 309. 4.14 ACEROS 25 CROMO-20 NÍQUEL, TIPO 310 Se consideran aceros de este tipo todos los comprendidos en las siguientes especificaciones: ASTM-A 312, Grado TP-310 ASTM-A 213, Grado TP-310 ASTM-A 249, Grado TP-310 ASTM-A 240, Tipo 310S ASTM-A 182, Grado F310 ASTM-A 336, Cl F25 ASTM-A 479. Tapo 310S ASTM-A 276, Tipo 310, 310S Tubería sin o con costura para alta temperatura. Tubos o fluses sin costura para calderas e intercambiadores de calor Tubos o fluses con costura para calderas e intercambiadores de calor. Placas, laminas y tiras para recipientes a presión. Conexiones y válvulas forjadas o roladas. Forjas para recipientes a presión. Barras y perfiles para recipientes a presión. Barras y perfiles para alta temperatura. Composición química en porciento: Carbón Manganeso Silicio Cromo Níquel Fósforo Azufre (C) (Mn) (Si) (Cr) (Ni) (P) (S) 0.15 máx. 2.00 máx. 0.75 máx. 24.0-26.0 19.0-22.0 0.040 máx. 0.030 máx. TABLA 4.22 PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE TENSIÓN A DIEFERNTES TEMPERATURAS DE PRUBA Temperatura ºC Resistencia a la cedencia Kg/cm2 * 27 149 260 371 482 593 704 815 927 1 038 1 093 2 570 2 456 2 289 2 084 1 852 1 598 1 338 1 056 ------------- Resistencia a la tensión Kg/cm2 5 915 5 782 5 465 5 317 4 894 4 331 3 204 2 077 1 197 775 493 Alargamiento en % para 2” (50mm) 50 38 35 35 35 38 31 30 49 56 57 Reducción del área en % 77 69 63 57 53 47 42 38 48 46 48 * A 0.2% de deformación permanente. Ing. IFT 81 TABLA 4.23 PROPIEDADES CARACTERÍSTCAS A LA DEFORMACIÓN PLASTICA (CREEP) Y DE RUPTURA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura ºC Esfuerzo (Kg/cm2) para una velocidad de deformación plástica de: 482 538 593 648 704 760 815 0.0001% / hora (1% en 10 000 horas) 1 606 1 239 901 591 352 169 70 0.00001% / hora (1% en 100 000 horas) 1 056 831 620 422 260 141 56 Esfuerzo (Kg/cm2) de ruptura en: 1 000 horas 10 000 horas ----2 648 1 622 944 613 422 317 100 000 horas ----2 282 1 408 775 486 317 232 Aplicaciones Por su alto contenido de cromo y níquel estos aceros pueden trabajar en condiciones extremas de corrosión y oxidación. Tienen buena resistencia a la deformación plástica. algunas veces mejor que el tipo 309 pero inferior al tipo 316. Pueden trabajar hasta 1 093º C. Trabajo en caliente Son accesibles a todas las operaciones de trabajo en caliente, aunque es necesario utilizar más energía por su gran resistencia a alta temperatura en comparación con los aceros ordinarios. El calentamiento debe realizarse con cuidado y no demasiado rápido. Debe evitarse el uso de combustibles sulfurosos y atmósferas fuertemente reductoras; precaliéntese primeramente a 816-871º C , iníciese el conformado a 1 149-1 260º C y termínese a 927º C o más arriba. El doblado de tubos debe hacerse a 982-1 010º C y las forjas terminadas a 982º C o más arriba de esta temperatura. EL recocido en solución debe aplicarse a 1 093-1 149º C y enfriar rápidamente. TABLA 4.24 ESFUERZO DE TENSIÓN MÁXIMO PERMITIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS, ACEROS 25 CROMO-20 NIQUEL, TIPO 310 Especificación ASTM A 312, Grado TP-310 A 213, Grado TP-310 A 249, Grado TP-310 A 240, Tipo 310S A 182, Grado F-310 A 473, Cl F25 Ing. IFT Descripción Resistencia a la tensión min. Kg/cm2 Esfuerzo (Kg/cm2) de t6ensión máximo permitido. Temperatura del metal en º C -29 a 38 315 426 538 648 Tubería sin o con costura Tubos o fluses sin costura Tubos o fluses con costura Placas 5 282 1 320 1 077 1 049 775 422 5 282 1 320 1 077 1 049 775 422 5 282 1 123 915 891 658 359 5 282 1 320 1 077 1 049 775 422 Forjas 5 282 1 320 1 077 1 049 775 422 82 Soldadura Para soldar estos aceros se debe utilizar electrodos clasificación AWS E310-15, 16; E310Cb-l5, 16. Cuando la temperatura de operación sea de 426º C o mayor se recomienda aplicar electrodos AWS ENi Cr Fr-3. Normalmente no se requiere tratamiento térmico, pero sí se especifica puede hacerse de la siguiente manera. – Recocer a 1 066-1 177º C con enfriamiento de 315º C mínimo para propiedades máximas. – Estabilizar a 871-899º C, 2 horas por pulgada (25 mm) de espesor; enfriar en aire calmado. – Relevar esfuerzos a 871-899º C, l hora por pulgada (25 mm) de espesor enfriar al aire. Las recomendaciones para la soldadura de aceros 25 cromo-20 níquel, tipo 310 a aceros bajo carbón. medio carbón, carbón 1/2-molibdeno, 1/2 cromo-1/2 molibdeno, 1 cromo-1/2 molibdeno, 1 l/4 cromo-1/2 molibdeno, 2 1/4 cromo-1 molibdeno, 3 cromo-1 molibdeno, 5 cromo-1/2 molibdeno, 18 cromo-8 níquel. Tipo 304, 18 cromo-8 níquel Ti. tipo 321, 18 cromo-8 níquel Cb, tipo 347, 18 cromo-8 níquel Mo, tipo 316, 25 cromo-12 níquel, tipo 309, aparecen en cada uno de estos aceros en el renglón correspondiente a 25 cromo-20 níquel (25 Cr-20 Ni), tipo 310. Ing. IFT 83 ¿ QUÉ ES EL HK-40? ALEACIONES DE NÍQUEL-FIERRO-CROMO Ing. IFT 84 5.- ALEACIONES 5.1 ¿QUE ES EL HK40?. Es un grado de aleación fundida de acero inoxidable austenítico, tipo 25 cromo 20 níquel con 0.40 % de carbono, para trabajar a temperatura hasta de l 050 ºC (1 192 ºF), incluida en las siguientes especificaciones: ASTM-A 297 ASTM-A 351 ASTM-~ 608 Para aleaciones fundidas de fierro cromo y fierro crorno níquel, resistentes al calor. Para fundiciones de acero inoxidable austenítico para servicio en alta temperatura. Para tubería fundida centrifugada de hierro cromo níquel y altas aleaciones, para trabajar a presión y temperaturas elevadas. Su composición química en por ciento, en cada una de las especificaciones mencionadas es la siguiente: Carbono Manganeso Silicio Fósforo Azufre Cromo Níquel Molibdeno Fierro (C) (Mn) (Si) (P) (S) (CR) (Ni) (Mo) (Fe) A 297-HK-40 A 351-HK-40 A 608-HK-40 0.20-0-60 0.35-0.45 0.35-0.45 2.00 máx. 1.50 máx 1.50 máx 2.00 máx 1.50 máx 1.50 máx 0.04 máx 0.04 máx 0.04 máx 0.04 máx 0.04 máx 0.04 máx 24.0-28.0 23.0-27.0 23.0-27.0 18.0-22.0 19.0-22.0 19.0-22-0 0.50 máx ----------0.50 máx Balance Balance Balance Sus propiedades mecánicas son: De fundición (as cast) Resistencia a tensión mínima: 4401 kg/cm2. Punto de cedencia mínimo: 2 465 kg/cm2 . Alargamiento en 50 mm (2") mínimo: 10%. Envejecido después de 1 año de operación. Resistencia a la tensión: 4930 kg/cm2 . Resistencia a la cedencia: 2817 Kg/cm2 . Alargamiento en 50 mm (2"): 2%. Normalmente se funde en las formas estática y centrifugada. En forma estática se obtienen piezas especiales para tubería, como codos de 90º, tees, reducciones concéntricas, retornos 180º, placas-soportes, accesorios para soportería, etc. La forma centrifugada puede desarrollarse horizontalmente y verticalmente. El centrifugado horizontal tiene una aplicación muy amplia en tubería de diversos diámetros, espesores y longitudes. El centrifugado vertical se aplica para obtener piezas especiales que conserven su simetría con el eje vertical. El grado HK40 se puede obtener en las dos formas de fundición señaladas y en especificaciones descritas, indicando en cada especificación la clase de fundición requerida (estática o centrifugada). Como puede observarse la especificación A 297 en su composición química, el contenido de carbono varía en un rango muy amplio, por lo que sería un riesgo no precisar el contenido requerido. El manganeso y el silicio aparecen en su límite máximo pero es conveniente fijar la cantidad requerida de acuerdo a las condiciones de operación o bien a experiencias adquiridas tomando en consideración la influencia de cada unode los elementos. Las ventajas y desventajas de cada elemento aleante, operando a temperaturas elevadas, son condiciones para que su contenido sea bien balanceado y supervisado para evitar posibles problemas o fallas posteriores. Por ejemplo, un contenido de carbono inferior a 0.35% en un material para operar a temperaturas de 1 050-1 110 ºC (1 Ing. IFT 85 922-2 0l2 ºF), traería como consecuencia una reducción significativa en la resistencia, en el comportamiento a la deformación plástica (creep) y a la ruptura. Por otra parte, si el contenido de carbono resultara excesivo, la ductilidad se vería más reducida tanto a temperatura ambiente como a temperatura elevada. Además, las propiedades de soldabilidad tenderían a complicarse. El silicio, aun por las ventajas que presenta contra la escamación y la carburización, su contenido debe ser controlado si se toman en cuenta sus desventajas. El contenido de los elementos restantes es el adecuado dentro de los rangos, pero quedarán sujetos a los requerimientos de diseño o de operación. Las especificaciones A 351 y A 608 dan un contenido de carbono en un rango más reducido, ajustado en forma favorable para operar hasta 1 050 ºC (1 922 ºF). El contenido de los elementos restantes cubre lo requerido dentro de sus rangos, así como en sus máximos. Sin embargo, debe tomarse en cuenta que la composición química de estas aleaciones depende de las condiciones de operación o bien de las indicadas por el diseño. Selección Son dos las propiedades más importantes a considerar para seleccionar el grado de atención más apropiado para trabajar a temperatura alta: La resistencia mecánica La ductilidad Estas propiedades son importantes no solamente a temperaturas altas, sino también a temperatura ambiente o intermedias, particularmente cuando las condiciones de servicio comprenden fluctuaciones o condiciones cíclicas de temperatura. En el último caso, se ha«n pruebas de tensión y alargamiento por cono tiempo a temperatura ambiente de la aleación. después de un envejecimiento a alta temperaturas, encontrándose valores importantes pata determinar el grado de aleación más conveniente. Por otra parte, es bien conocido que la deformación en tensión a temperatura alta, la cual depende del tiempo, ya que puede inducir el fenómeno de deformación plástica. Previendo que la temperatura es muy alta, los valores del esfuerzo de ruptura en un tiempo determinado son frecuentemente utilizados como una base para la valoración del grado de aleación más apropiado. La resistencia mecánica del acero depende fuertemente de la estructura metalúrgica y de las fases que contiene. Por ejemplo, las variaciones de resistencia a temperatura alta, y la ductilidad a temperatura ambiente, son función de la estabilidad metalúrgica. En otras palabras, estas propiedades dependen de los cambios de fase sobre el rango de temperatura obtenido en servicio. Las fases que se pueden presentar son: Austenita Ferrita Sigma Carburos Su presencia, forma y distribución dependen de dos factores: a) Composición química, el balance de los elementos austenizantes (níquel, carbono, nitrógeno) contra los elementos ferritizantes (cromo, silicio, molibdeno). b) Historia térmica del material. Para información inmediata, en la tabla 5.1 aparece una relación de aleaciones con sus grados, indicándose para cada uno las estructuras principales de fases, así como el rango de temperatura sobre el que se presenta la inestabilidad metalúrgica; por ejemplo, donde el acero es susceptible a la precipitación de fases sigma o carburos, que generalmente ocurre entre 700-850 ºC. Ing. IFT 86 Como complemento para alcanzar una aleación óptima es necesario conocer: Su aplicación Para plantas de amoniaco, metanol, etileno, hidrógeno, etc. Condiciones de operación Temperatura, presión, composición de los gases de proceso, composición de los gases de combustión. Propiedades Resistencia a la oxidación, resistencia a la carburización, fundición. maquinabilidad, soldabilidad. TABLA 5.1 TIPOS DE ALEACIONES, GRADOS E INESTABILIDAD METALURGICA Tipo de aleación C % Estructura metalúrgica Cr % Ni % Otros % A 351-CF8C 0.06 18 9 l Cb A 351-CF8M 0.06 18 10 3Mo A 297-HC 0.40 28 --- ---- A 297-HE 0.30 29 9 ---- A 297-HF 0.30 20 8 ---- A 297-HH 0.30 25 12 ---- A 447-II 0.30 25 12 A 351-HK40 0.40 25 A 297-HU A 297-HW 5.1.1 Austenítica (10% ferrita) Austenítica (10% ferrita) Ferrítica Temperatura límite para: Resistencia Resistencia Inestabilidad útil a la útil metalúrgica oxidación (máx) (precipitación de fase) 800 ºC 750 ºC ------------800 ºC 750 ºC ------------- l 200 ºC 700 ºC 1 100 ºC 900 ºC 870 ºC 900 ºC 1 050 ºC 900 ºC 0.2N Austenítica (20% ferrita) Austenítica (5% ferrita) Austenítica (5% ferrita) Austenítica l 050 ºC 950 ºC 20 ---- Austenítica 1 100 ºC 1 100 ºC 0.40 20 40 ---- Austenítica 1 100 ºC 1 100 ºC 0.50 15 60 ---- Austenítica 1 100 ºC 980 ºC 700-800 ºC (sigma) 750-850 ºC (sigma) 760-820 ºC (sigma+carburo) 750-850 ºC (sigma+carburo) 760-800 ºC (carburos) 760-800 ºC (carburos) 760-800 ºC (carburos) 760-800 ºC (carburos) Ejemplo característico Un ejemplo característico de selección, se presentó al requerirse tubos fundidos centrifugados para los hornos de pirólisis de una planta de etileno para operar hasta 1 050 ºC, estableciéndose una comparación de propiedades entre dos aleaciones con los siguientes resultados. (ver tablas 5-2, 5-3, 5-4 y 5-5.) Carbono Silicio Manganeso Cromo Níquel Azufre Fósforo Ing. IFT Composición química nominal en porciento HK40/I HK40/II 0.40 0.40 1.30 2.80 1.00 1.00 25.00 25.00 20.00 20.00 0.02 0.02 0.02 0.02 87 TABLA 5.2 PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE TENSION A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura, 20 ºC ----------------------------------De fundición Envejecido ( as cast ) (ag ed)* Propiedad Resistencia a la tensión Kg/cm2 HK-40/I 5 282 HK-40/II 5 282 Alargamiento en porciento HK40/I 16 HK40/II 16 800 ºC 900 ºC 1 100 ºC 1 100 ºC 5 852 5 852 2 394 2 394 1 690 1 690 824 824 338 338 4 4 22 22 32 32 49 49 70 70 *Durante 100 horas a 750 ºC. TABLA 5.3 PROPIEDADES DE RUPTURA-DEFORMACION PLASTICA A DIFERENTES TEMPERATURAS DE PRUEBA Temperatura -------------------------------------------------900 950 1 000 1 050 1 100 Propiedad Esfuerzo para una velocidad de deformación plástica de 0.0001%/hora, en Kg/cm2 HK-40/I HK-40/II Esfuerzo de ruptura a 10 00 horas, en Kg/cm2 HK-40/I HK-40/II Esfuerzo de ruptura a 100 000 horas en Kg/cm2 HK-40/I HK-40/II 345 345 232 232 148 148 87 84 49 49 232 232 153 153 97 97 59 59 34 34 137 137 84 84 49 49 27 27 14 14 TABLA 5.4 RESISTENCIA A LA OXIDACION 100 horas de prueba de oxidación en aire Velocidad de penetración mm/año* HK-40/I HK-40/II Temperatura ºC ----------------------------------------------------------900 1 000 1 100 1 200 0.27 0.17 2.24 ----- 0.74 0.28 1.47 0.61 *Una velocidad de oxidación de 1.3 mm/año y una resistencia a la carburización (ganancia de peso acumulado) de 1.3% son satisfactorios. Ing. IFT 88 TABLA 5.5 RESISTENCIA A LA CARBURIZACION Temperatura --------------------------------------------------------500 horas de prueba de carburización por agente sólido 900 1 050 1 150 Ganancia en peso acumulado(%)*: HK-40/I 0.34 0.91 2.81 HK-40/II 0.11 0.26 1.17 *Una velocidad de oxidación de 1.3 mm/año y una resistencia a la carburización (ganancia de peso acumulado) de 1.3% son satisfactorios. Los resultados descritos en las tablas 5-2 a 5-5 demostraron que las propiedades mecánicas fueron casi las mismas para las dos aleaciones (tablas 5-2 y 5-3), obteniéndose diferentes resistencias a la oxidación y carburización (tablas 54 y 5-5). Observándose que para la aleación II, con incremento en el contenido de silicio, los valores obtenidos fueron muy satisfactorios para trabajar; a temperaturas altas, fue seleccionada para los hornos de pirólisis de la planta. Soldabilidad Debe prestarse especial atención a la soldabilidad, debido a las características que adquieren estas aleaciones desde el momento que son fundidas, y las adquiridas con el tiempo, al operar a temperaturas altas. La fundición estática nueva es muy soldable en forma semiautomática o manual con procedimientos de gas de protección (MIG), (TIG), o de arco protegido (SMA); pero son prácticamente insoldables cuando sufren envejecimiento en su estructura metalúrgica al ser sometidos durante corto tiempo a temperaturas altas, siendo afectadas sus propiedades mecánicas, principalmente la ductilidad que de un valor original de l0-l6%, decae significativamente hasta 4y 2% debido a la precipitación de sigma o carburos. Estas fases pueden ser disueltas por medio de un tratamiento térmico de recocido en solución y reestablecer el estado soldable original. La aplicación de tratamiento en campo, es laboriosa y delicada, por lo que requiere estricta supervisión. Para soldar fundiciones estáticas de HK40 con HK-40, se utilizan electrodos clasificación AWS E 310 HC de acero inoxidable austenítico tipo 25%Cr-20% Ni, con 0.38-0.45% de carbono, para paso caliente, relleno y acabado, para el paso de fondeo o raíz, se debe usar gas inerte (TIG) y varilla para soldar clasificación AWS ER Ni Cr-3, o AWS ENi Cr Fe-3 con arco protegido (SMA). Las soldaduras hechas con electrodos E 310 HC, se envejecen también junto con el metal base, lo cual debe tenerse presente por las frecuentes fallas que se presentan en uniones de tuberías localizadas en injertos, cambios de dirección, entronques, partes en cantiliver y mala soportería, con alta concentración de esfuerzos térmicos, dinámicos y cíclicos, recomendándose para estas condiciones aplicar electrodos AWS ENi Cr Fe-2 o AWS ENi Cr Fe-3. El uso de la fundición estática quedó eliminado en aquellos lugares considerados críticos, cambiando por otro material de mejor especificación con propiedades cíclicas y soldabilidad más confiables. La fundición centrifugada, en comparación con la fundición estática, prácticamente presenta mejores propiedades de soldabilidad en su condición fundida (as cast), aun después de haber trabajado por corto tiempo a temperatura elevada. Esto es de interés ya que en reparaciones efectuadas en reformadoras primarias de plantas de amoniaco, se desarrollaron trabajos de reparación en fundiciones centrifugadas después de haber operado 6000, 10 000, 15 000 y en ocasiones hasta 25 000 horas a una temperatura de 850-950 ºC observando buenas propiedades de soldabilidad, lo que no ocurrió con la fundición estática con menor tiempo de operación. Para la fundición centrifugada, la aplicación importante se sitúa en la fabricación de tubos para reformadores y hornos de plantas de amoniaco, metanol, etileno, hidrógeno, etc. Estos tubos son fundidos en tramos con longitudes variables desde 2.50 hasta 7.50 metros, que son unidos con soldaduras a tope para tener la longitud señalada por el diseño. Ing. IFT 89 Para soldarlos, se utilizan electrodos con alto contenido de carbono especificación AWS E310 HC de acero inoxidable austenítico tipo 25% Cr-20% Ni con 0.38-0.45% C para pasos caliente, relleno y acabado. Para el paso de fondeo o raíz se recomienda aplicarlo con gas inerte (TIG) y varilla AWS ER Ni Cr-3. Para soldar HK-40 a materiales disímiles como acero medio carbono, carbono-molibdeno, cromo-molibdeno, incoloy 800, inconel 600, se recomiendan electrodos especificación AWS E Ni Cr Fe-2 o E Ni Cr Fe-3 con arco protegido (SMA) y varilla AWS ER Ni Cr-3 con gas inerte (TIG). Como se dijo anteriormente, la fundición centrifuga presenta mejores propiedades de soldabilidad que la fundición estática, así se ha comprobado prácticamente con fundiciones nuevas (as cast), y con fundiciones usadas y envejecidas, después de haber trabajado a temperatura alta. Pero también se ha comprobado su insoldabilidad al intentar reparaciones en material fundido centrifugado con mayor tiempo de operación (más de 20 000 horas). La pérdida de soldabilidad se debe principalmente a la reducción significativa de ductilidad del material por la precipitación de fases sigma o carburos, que hacen muy frágil la estructura metalúrgica, creando problemas y en ocasiones imposibilitando el trabajo de soldadura. Las fases sigma y carburos pueden ser disueltas por medio de un tratamiento de recocido en solución a 1 150-1 200 ºC, quedando a criterio de operación y mantenimiento su aplicación o su no aplicación. A continuación se describe el procedimiento para alcanzar una aplicación óptima de este tratamiento en campo. 5.1.2 Recocido en so1ución del HK 40 Antecedentes Los tubos fundidos, soportes, cabezales colectores, conexiones, etc., son diseñados para suportar temperaturas hasta de 1 100 ºC, únicamente un reducido número de aleaciones entré las que se encuentra el HK 40 de acero inoxidable austenítico (25% Cr-20% Ni-0.40% C), poseen las propiedades necesarias para este tipo de servicio. Sin embargo, estas aleaciones llegan a fragilizarse operando a esta temperatura, creando problemas en la reparación y mantenimiento de soldaduras y en ocasiones hasta imposibilitando su ejecución. Cuando la fragilización se origina por la formación de carburos secundarios, la ductilidad puede ser reestablecida por un tratamiento de recocido en solución a temperatura alta. En estas condiciones, el material prácticamente es regresado a su estado soldable original. Hasta hace poco, alcanzar temperaturas tan altas como 1 177 ºC para un recocido en solución en campo era considerado imposible, pero en investigaciones efectuadas se encontraron ciclos óptimos de recocido en solución, y el sistema de calentamiento más adecuado; requiriéndose únicamente de máquinas estándar para soldar como fuente de energía, material aislante y resistencias para calentamiento. Para un mejor entendimiento de la función desempeñada por el recocido en solución, es necesario analizar los siguientes puntos: a) Tipos y metalurgia de aceros inoxidables austeníticos con alto contenido de carbono. b) Efectos de varios ciclos de recocido en solución. c) Procedimiento y equipo adecuados a las condiciones de recocido en solución en campo. Las aleaciones que se dan a continuación son las utilizadas con más frecuencia y aparecen incluidas en las especificaciones ASTM A-297 y A-351: -HK40 y CK40 (0.40% C-25% Cr-20% Ni), utilizadas para tubos comunes y para algunos cabezales colectores en hornos y reformadores. -HT-35 (0.35% 0.20% Cr 35% Ni), para cabezales colectores en servicio de alta temperatura. -HU-40 (0.40% C 18% Cr 37% Ni), para cabezales colectores en servicio de alta temperatura. -HN40 (0.40% C 20% Cr-25% Ni), para conexiones a 90º y 180º Ing. IFT 90 Ya que el HK40 ha sido seleccionado en su mayoría para aplicaciones a temperatura elevadas sobre otras aleaciones, todos los trabajos relacionados con recocido estarán referidos a esta aleación. La soldabilidad es fácilmente destruida Los tubos y cabezales colectores de acero inoxidable austenítico fundido, con alto contenido de carbono (0.40% C) nuevos, presentan relativamente baja ductilidad; por ejemplo, e1 alargamiento mínimo requerido por especificación es de 10%, normalmente excedido en pequeño porcentaje. Después de haber sido expuesto durante un corto tiempo a 760º C, su ductilidad cae drásticamente y los alargamientos alcanzan valores hasta 4 y 2%. Esta fragilización es lo que hace difícil y a veces imposible obtener soldaduras sanas. En adición al posible daño permanente en las propiedades mecánicas como a la ruptura o a la deformación plástica, estos aceros han sufrido uno o más cambios significativos durante el tiempo que estuvieron expuestos. A continuación se citan algunos: 1 Formación de gruesas escamas de óxido sobre la superficie producidas por los gases de combustión o por los gases oxidantes de proceso. 2. Carburización y fragilización, producto de algunos materiales de proceso al operar a altas temperaturas. 3. Formación de carburos secundarios por estar operando a temperaturas entre 650-1 000º C, lo que reduce la ductilidad original, Únicamente la tercera reacción es metalúrgicamente reversible por medio de un tratamiento térmico especial aplicado antes de soldar. Las capas de óxido interfieren con la soldadura por reducción de la soldabilidad del metal base con el metal de aportación fundido, y cuando no es removido completamente puede contribuir a la fusión incompleta, inclusión de escora, porosidad y desde luego a una soldadura de mala calidad. Cuando la corrosión local o la oxidación ha ocurrido, las áreas dañadas deberán ser completamente removidas con esmeril u otras herramientas mecánicas antes de parar la soldadura. Las superficies pueden ser inspeccionadas visualmente o con líquidos penetrantes. Cualquier incremento apreciable en el contenido de carbón en el metal base, debido a la carburización, destruye la soldabilidad de estos aceros. El metal se fracturará cuando sea tocado por el arco eléctrico, o con el calor del soplete, haciendo caso omiso de la técnica para soldar, del metal de aportación o del tratamiento térmico. Ya que los aceros inoxidables austeníticos fundidos, normalmente no son magnéticos, y puesto que el acero inoxidable carburizado es magnético, es fácil determinar cuándo ha ocurrido la carburización. Se puede intentar remover la capa carburizada en el área de soldar por cualquier medio mecánico (esmerilado, maquinado. etc.), pero si éste falla, o el espesor de pared es reducido abajo del mínimo, cualquier intento para reparar puede resultar infructuoso y sólo resta reponer las partes dañadas. El contenido relativamente alto de carbón en el HK-40 es lo que contribuye a su buena resistencia a la ruptura y deformación plástica a altas temperaturas, pero también es el factor que produce carburos frágiles en la micro estructura. Estos carburos se presentan en dos formas básicas; a saber: a) Carburos primarios que están presentes desde la fundición nueva (as cast), dando al material aproximadamente un 12% de ductilidad (alargamiento), opuestamente al 25% de los aceros inoxidables 25% Cr-20% Ni forjados. Sin embargo, con un procedimiento apropiado, las aleaciones fundidas pueden ser unidas por varios procesos de soldar. b) Los carburos secundarios son precipitados de la matriz austenítica durante la exposición a temperaturas. de 650-1 000º C y han reducido la ductilidad (alargamiento) del material tan bajo como 4-2%. El recocido en solución reestablece la soldabilidad Es bien conocido que los carburos secundarios pueden ser disueltos por un ciclo adecuado de recocido en solución, y en esta fauna poder reestablecer toda o en su mayor parte la ductilidad original y por tanto permitir el trabajo de soldado. Para trabajos de mantenimiento y reparación, es conveniente practicar el tratamiento térmico en solución en las condiciones del campo, y para ello fue necesario contestar a dos preguntas especificas: ¿Cuál es el ciclo óptimo de tratamiento térmico que debe emplearse y qué tolerancias máximas o mínimas son aceptables? ¿Cuál sistema es el más apropiado para la operación de recocido en solución en campo y cómo deberá establecerse tal sistema? Ing. IFT 91 Procedimiento Durante la fase inicial fueron investigados los efectos de tratamientos térmicos a diferentes temperaturas, tiempos sostenidos y velocidades de enfriamiento. Cada una de estas variables fueron evaluadas por metalografía, mediciones de ductilidad y pruebas de soldabilidad; además fue de considerable interés encontrar una prueba rápida que indicara la condición del metal base. Se utilizó un cabezal colector de HK-40 como material de prueba, que había estado en servicio por más de cuatro años. La condición metalúrgica de este material mostraba una distribución de carburos primarios alrededor del grano. y carburos secundarios en forma dé helecho en la matriz austenítica. Varias secciones del cabezal fueron calentadas a diferentes temperaturas y sostenidas por una hora, enseguida fueron enfriadas con agua fría para prevenir la formación de algunos carburos secundarios. Se observó que a 1 038º C ningún carburo secundario había sido disuelto; tampoco se observó ninguna mejoría a 1 094º C; sin embargo, una vez alcanzada la temperatura de 1 150º C, la mayoría de los carburos secundarios había desaparecido y a 1 206º C la reacción era casi completa. Las dos muestras tratadas a 1 150 y l 206º C, respectivamente, proporcionaron suficiente ductilidad pata permitir soldaduras libres de fractura. Se hicieron otras pruebas a temperaturas más altas, pero a 1 288º C el grano presento debilitamiento en sus alrededores y se observo fuerte oxidación en la superficie. Ambas condiciones representaban degradación del material, aparte de que era más difícil y costoso alcanzar temperaturas tan altas, por lo que se seleccionaron temperaturas de 1 150-l 206º C para el recocido en solución. Tiempo sostenido Muchas reacciones metalúrgicas dependen del factor tiempo-temperatura, de ahí que se permitan tratamientos térmicos a bajas temperaturas, pero con mayor tiempo sostenido. Si este concepto pudiera aplicarse al recocido en solución, permitiría el empleo de equipo de calentamiento a más baja temperatura. Las pruebas discutidas al principio y que fueron sometidas a 1 038,1 094, 1 150 y 1 206º C, durante una hora, fueron repetidas con tiempos de 2, 4, 8 y 24 horas a cada temperatura, apreciándose un ligero incremento en ductilidad y una ligera reducción de carburos secundarios en la muestra con temperatura sostenida durante dos horas, pero ninguna mejoría en las muestras calentadas con mayor tiempo sostenido. Por tanto, se observó claramente que utilizar bajas temperaturas con mayor tiempo de aplicación en nada compensó al recocido en solución. Velocidad de enfriamiento ¿ Cual es la velocidad de enfriamiento más conveniente para un recocido en solución? Un enfriamiento rápido, como en agua fría, minimiza el tiempo durante el cual el metal está expuesto a 650-1 000º C, rango dentro del cual pueden formarse nuevos carburos secundarios. Sin embargo, el enfriamiento rápido tiene dos desventajas: 1) Es costoso, por requerirse remover rápidamente la pieza del horno o fuente de calor; 2) Es muy difícil enfriar uniformemente con agua o aire comprimido en las condiciones del campo. Experiencias adquiridas han demostrado que un enfriamiento rápido puede producir fracturación por esfuerzos locales asociados con un enfriamiento uniforme o por altos gradientes térmicos a través de los espesores de pared. Investigaciones sobre enfriamientos en hornos, demostraron que a velocidades de enfriamiento bajas. permiten la reformación de carburos secundamos suficientes para destruir la soldabilidad del material fundido, perdiéndose el propósito del recocido en solución. Sin embargo, un enfriamiento al aire, produjo propiedades más favorables con resultados metalúrgicos y propiedades mecánicas ligeramente inferiores a aquellas obtenidas con enfriamiento en agua fría. Ningún intento se hizo para medir la velocidad de enfriamiento, ya que solo fue necesario extraer la pieza del horno librándola de todo material aislante y dejándola al aire. Ductilidad contra dureza Para muchos aceros las mediciones de dureza han sido utilizadas para establecer su ductilidad y por tanto su soldabilidad. Se esperaba que este método, que es bien adecuado para aplicarse en campo, pudiera ser utilizado para establecer la soldabilidad del HK-40 ya trabajado. Ing. IFT 92 Se probé la dureza de muchas probetas que habían sido tratadas térmicamente y evaluadas metalúrgicamente con probadores Rockwell (escala B) y Brinell (bola de 10 mm). Las secciones más dúctiles resultaron más suaves, obteniéndose una diferencia entre material soldable y no soldable de aproximadamente 10 Brinell. Por otra pare, y debido a que este número fue excedido por diferencia de durezas entre lotes de acero fundido, la prueba no fue considerada como un método aceptable en la determinación de la soldabilidad de aceros inoxidables austeníticos con alto contenido de carbón. Como las mediciones de dureza fallaron en la determinación de la soldabilidad, únicamente se adoptó una alternativa adecuada para las condiciones de campo, consistente en depositar una cama de soldadura sobre el bisel o sobre la superficie de la pieza fundida y hacer una evaluación de la soldadura y del metal base adyacente por medio de una inspección con líquidos penetrantes. Al aplicar el calentamiento, las maquinas convencionales para soldar de 64-8 volts y amperajes de 300, 400 ó 600 resultaron más efectivas, utilizándose resistencias para calentamiento con elementos especiales para operar a l 250º C, instrumentando las áreas por recocer con los termopares necesarios para cada circuito; el aislamiento utilizado se instaló en tal forma que permitió desmantelarse rápidamente para facilitar el enfriamiento al aire. Conclusiones Se ha demostrado que la ductilidad y soldabilidad de aceros inoxidables austeníticos fundidos, con alto contenido de carbón, puede ser reestablecida por la disolución de todos o la mayor parte de carburos secundarios. El ciclo probado de recocido en solución con el que se obtuvieron mejores resaltados fue el siguiente: – Temperatura alcanzada – Tiempo sostenido – Velocidad de enfriamiento 1 150-1 200º C 1 hora por pulgada (25 mm) de espesor Enfriado al aire, libre de aislamiento térmico 5.13 Vida EI tiempo de vida de los tubos HK-40 depende notablemente del factor temperatura-tiempo, sin importar que hayan sido diseñados para una duración de 100 000 horas operando a temperaturas altas (850-1 100º C) Prácticamente es difícil o imposible mantener una temperatura constante de operación, por lo que generalmente se trabaja con grados de sobre temperatura. Sabiendo que el control de temperatura es muy significativo en el tiempo de vida de los tubos es conveniente mantener una supervisión estrecha para reducir al mínimo las sobre temperaturas. En investigaciones desarrolladas sobre el comportamiento de tubos en un reformador primario, diseñados para trabajar a 900º C, se hicieron pruebas representativas con grados de sobre temperatura para determinar la reducción del tiempo de vida observándose los resultados siguientes: 1. Si la planta operara todo el tiempo con los grados de sobre temperatura indicados, el tiempo de vida de los tubos seria de: a) b) c) d) Con temperatura de 910º C (10º C de sobre temperatura) 67 760 horas. Con temperatura de 920º C (20º C de sobre temperatura) 46 220 horas. Con temperatura de 925º C (25º C de sobre temperatura) 38 250 horas. Con temperatura de 950º C (50º C de sobre temperatura) 15 230 horas. 2. Si la planta operan todo el tiempo con media hora de sobre temperatura, el tiempo de vida seria de: a) b) c) d) - Operando a 910º C (10º C de sobre temperatura) 80 000 horas, 20% de reducción. Operando a 920º C (20º C de sobre tempemtura) 60 000 horas, 40% de reducción. Operando a 925º C (25º C de sobre temperatura) 55 000 horas, 48% de reducción. Operando a 950º C (50º C de sobre temperatura) 39 400 horas, 61% de reducción. En plantas que han operado continuamente durante determinado tiempo y por alguna causa se desconoce el tiempo de vida consumida o la vida residual, es fácil conocerlas si se cuenta con la historia térmica de los tubos. Ing. IFT 93 5.1.4 ¿Cómo estimar la vida consumida o residual? Medios sugeridos La estimación de la vida consumida o residual de los tubos HK-40, basada en técnicas destructivas y no destructivas, no es fácil de lograr y llegar a conclusiones. Mediciones diametrales e inspecciones con líquidos penetrantes arrojan, algunos beneficios. En materiales con buenas propiedades de ductilidad a la ruptura, las mediciones en el crecimiento diametral son potencialmente útiles, pero en aleaciones fundidas tienen poca utilidad por presentar muy escaso crecimiento diametral antes de fallar. La inspección con líquidos penetrantes de tubos fundidos centrifugados es de muy poco valor, debido a que el daño normalmente se localiza debajo de la superficie. La inspección radiográfica es útil detectando fisuras hasta de 3.2mm de longitud pero no existen referencias tipo para estimar la vida residual basadas en indicaciones radiográficas. Los tubos HK-40 empiezan a dañarse cerca del espesor medio, y la vida prácticamente se ha consumido cuando el daño es observado sobre el diámetro exterior. Además, las aleaciones fundidas presentan valores relativamente bajos de ductilidad a la ruptura, y por tanto, la falla se presenta con poco o nada de crecimiento diametral. Es por esto que las mediciones diametrales e inspecciones con líquidos penetrantes, sean de poca utilidad en la determinación del daño inducido por la deformación plástica (creep), o de la vida residual, Del mismo modo, no son válidas las pruebas de ruptura acelerada como base para esta determinación. La metalografía, que generalmente permite una confiabilidad limitada en 1a estimación de temperaturas de servicio, y en la revelación de un daño visible por deformación plástica (creep), tiene la posibilidad de ofrecer medios más rápidos y económicos de información que permitan bases para una estimación más representativa de la vida residual en comparación con otros métodos. Las bases para estas estimaciones son descritas y representadas gráficamente en las figuras 5-1 a-f El daño se inicia entre diámetro interior y la pared media (figura 5-1a). La región próxima al diámetro exterior soporta más y más carga hasta dañarse. Cuando las fisuras se han propagado justamente cruzando la pared media (50 000 horas de servicio) figura 5-1d. la vida se habrá consumido aproximadamente en dos terceras partes. Cuando las fisuras se hayan propagado en dos terceras partes del espesor de pared, desde el diámetro interior (60 000 horas de servicio) figura 5-le, la vida se habrá consumido en 90%. En la misma forma puede decirse cuando por primera evidencia aparecen huecos como los observados en ti figura 5-la y b, indicando que se ha consumido aproximadamente la cuarta o tercera parte de vida (12 000 – 20 000 horas de servicio). Como se dijo antes, la metalografía ofrece los medios más económicos y fáciles para estimar la vida residual de tubos HK- 40. Ahora bien las preguntas que se formulan son: ¿Cuántas y qué partes del tubo deben removerse para ser examinadas? ¿Qué estándares deben utilizarse como base para cualquier estimación? Generalmente el daño y la falla ocurren en la parte, más caliente del tubo, y se ha observado que una longitud de 2 a 3 metros desde la base está expuesta a más alta temperatura. En reformadores con quemadores dispuestos en el techo, la zona más caliente localizada aproximadamente a 3 metros del techo, pero en esos mismos reformadores se han localizado partes más calientes a 2 y 3 metros de la base del tubo. Se sugiere que estas partes con mediciones de temperatura más altas sean examinadas metalográficamente señalando con una referencia el lado más próximo al fuego o del quemador, preparando secciones transversales completas cada 150mm de separación. Las secciones completas debe ser pulidas metalográficamente. Ing. IFT 94 Figura 5.1 Representación gráfica de falla progresiva de un tubo HK 40 Posteriormente deberán prepararse para su examen microscópico muestras pequeñas de la sección transversal de cada anillo, abarcando el espesor completo con 25 mm de longitud. El daño aparecerá indicado por pequeños huecos y pequeñas fisuras evidentes a una amplificación de 50 a 100 X. Por no disponerse de estándares firmes, es recomendable utilizar los porcentajes de vida consumida o de vida residual correspondientes a diferentes grados de daño señalados a continuación: 1. 2. 3. 4. Si el daño comprende pocos huecos desalineados entre el diámetro interior y la pared media, la vida se ha consumido 25% (figura 5-la). Si el daño comprende pequeños huecos alineados entre el diámetro interior y la pared media, la vida se ha consumido 30% (figura 5-lb). Si el daño comprende muchos huecos y pequeñas fisuras entre el diámetro interior y la pared media, la vida se ha consumido 50% (figura 5-1c). Si el daño comprende fisuras propagadas hasta la pared media, con muchos huecos próximos al diámetro Ing. IFT 95 interior y pocos huecos entre la pared media y el diámetro exterior, la vida se ha consumido 75% (figura 51d). 5. Si el daño comprende fisuras propagadas sobre dos terceras partes del espesor de pared, desde el diámetro interior, la vida se ha consumido 90% (figura 5-1e). La estimación de la vida residual por este procedimiento parece ser comparativamente tardado por la preparación y análisis metalográficos, pero ha sido considerado más rápido, económico y de mayor validez que la corrida de varias pruebas (8 a 10) de deformación plástica - ruptura (creep-rupture) con diferentes esfuerzos y tiempo mínimo de 300 horas. Por supuesto, las estimaciones de vida residual están basadas en una operación prolongada bajo condiciones de temperatura y presión de servicio. Por otra parte, si un tubo de reformador fuera removido una vez al año y examinado metalográficamente de acuerdo con el procedimiento descrito, podrían obtenerse estándares de mayor validez, pero sin conservarse por tiempo prolongado. 5.1.5 Fallas Fallas de tubos Por sobrecalentamiento Estadísticas efectuadas sobre fallas de tubos en reformadores y hornos de plantas de amoniaco, metanol, etileno, hidrógeno, etc., han revelado que en gran porcentaje son debidas a sobrecalentamiento, observándose en este tipo de falla un ligero adelgazamiento de la pared, y pandeamiento del tubo. El mecanismo de esta falla consiste en la formación de microfracturas con poca fluidez, seguido por la rotura cuando el espesor electivo de la pared es muy reducido. Por esfuerzo a la ruptura Esta es una falla característica que se presenta con cierta frecuencia. Enseguida se hace una descripción de cómo ocurrió en tres ocasiones. La primera se presentó después de un arranque de planta por sobrecalentamiento debido a un error de operación y por mala distribución del catalizador en los tubos. La segunda tuvo lugar en un tubo de repuesto después de 29 000 horas de servicio debido a una pequeña fractura longitudinal que no pudo ser detecta durante las inspecciones normales de operación. La tercera ocurrió justamente después de una falla de energía eléctrica, dañándose 18 tubos originales con fracturas longitudinales. Al inspeccionarse estas fracturas se encontraron que eran más severas en su proximidad hacia la superficie interior donde se inició la falla. Por falta de soportación Es bien conocido que los tubos deben estar bien soportados en sus extremos superior e inferior, ya que ambas partes trabajan conjuntas. Por falta de soporte en el extremo superior el tubo tenderá a pandearse o a deformarse notablemente por su propio peso más la carga de operación, debido a la alta temperatura de trabajo. Con la deformación del tubo se incrementan la caída de presión y la temperatura de pared, acelerándose la falla por sobrecalentamiento. Al faltar el soporte en el extremo inferior el tubo tiende a moverse oscilando de arriba hacia abajo generando esfuerzos dinámicos y cíclicos que al transmitirse a colas de cochino y cabezales colectores originan fracturación por esfuerzo (strees craking). Por acarreo de sólidos La falta o escasez de limpieza del sistema después de un paro prolongado por reparación general o parcial de planta, puede causar serios problemas por arrastre sólidos que obstruyen el paso del flujo a través de los tubos al depositarse Ing. IFT 96 sobre el catalizador, aumentando la caída de presión y provocar un sobrecalentamiento prematuro. Por defectos en el material Este tipo de falla no se presenta con frecuencia, pero cuando ocurre, se debe a las siguientes causas: 1. 2. 3. 4. 5. Composición química reducida en algunos de sus elementos aleantes. Espesor fuera de especificación. Espesor hecho en capas por una fundición errónea desarrollada por etapas. Por falta de maquinado en el área de soldar. Soldadura de mala calidad con exceso en el cordón de raíz, obstruyendo el paso al soporte del catalizador y al catalizador mismo. Por soldadura Una selección equivocada de electrodos con bajo contenido de carbón, así como en otros de sus componentes, ha contribuido a las fallas de uniones soldadas por su comportamiento pobre a alta temperatura. Las falta de limpieza o una limpieza incompleta entre los cordones de soldadura es otra de las causas por la que puede fallar la unión soldada debido a corrosión provocada por escoria atrapada que empieza a fluir crecientemente y ataca el metal. En atmósferas reductoras, la escoria constantemente absorbe una gran cantidad de azufre que esté presente, induciendo sulfatación al metal base, fracturándose por esfuerzo y corrosión (stress corrosion cracking). Otras fallas además, son debidas a una penetración incompleta, falta de fusión y por desalineamiento de las partes. Por carburización La carburización de aleaciones cromo-níquel-fierro resistentes al calor, comprende una reacción entre la fase gaseosa y el metal base, ya que las películas protectoras de superficie sobre estas aleaciones son destruidas y no son susceptibles de regeneración. La naturaleza de esta reacción es muy complicada debido a que la fase gaseosa y la aleación, constan de varios componentes que reaccionan a diferentes grados de temperatura, uno con respecto a otro, teniendo la temperatura una influencia muy significativa en la reacción de equilibrio. Mecanismo de la reacción y formación de la zona La carburización de la tubería está siempre acompañada por perdida de material y desgaste de paredes. Investigaciones desarrolladas han demostrado que la carburización está íntimamente relacionada con ciertas reacciones de oxidacion. Estudios al microscopio han hecho posible observar entre la fase gaseosa y el material base sin afectar, tres zonas principales cuyo alcance varia de acuerdo a las condiciones de operación: 1. 2. 3. Una superficie de escamas, con aspecto esponjoso, con partículas de metal incrustadas. Una zona descarburizada de forma cónica, oxidada parcialmente y con granos desplegados en su alrededor. Una zona severamente carburizada con precipitación masiva de carburos en los alrededores del grano y en los granos de austenita. La existencia de estas zonas se explica a continuación: El oxigeno potencial de la fase gaseosa no es suficiente para oxidar completamente la aleación. Los elementos cromo y en parte fierro son oxidados, mientras que el níquel es enriquecido parcialmente en la fase metálica. Durante esta reacción se forma una superficie de escamas de aspecto esponjoso, normalmente con partículas de metal incrustadas. Como las películas de óxido son incapaces de ejercer un efecto protector, ocurre un cambio notable de difusión entre fases gaseosa y sólida; los átomos de metal se difunden hacía la superficie y el carbón de la fase gaseosa dentro del metal. El carbón así introducido en el metal, desaloja cantidades considerables de cromo desde la matriz, resultando una Ing. IFT 97 formación de carburos de composiciones diversas. El desprendimiento del grano de la estructura, resultado de los procesos de difusión y transformación, permite la penetración de la fase gaseosa dentro del material, especialmente en los alrededores del grano. En consecuencia, el oxigeno potencial se incrementa en estos sitios, los carburos selectivamente son oxidados o redisueltos; el cromo y el fierro son oxidados y el carbón se difundirá más profundamente dentro del material donde aún permanecen cromo y fierro. De ahí que se formen las zonas de corrosión descritas que emigran a través del material en la secuencia de carburización, descarburización y oxidación (escamación), destruyendo y desgastando al material. Cuando se introdujo tubería fundida centrifugada en hornos de plantas de etileno, inicialmente se utilizaron con la superficie interior sin maquinar para que fuera capaz de presentar la menor resistencia a la carburización. En la figura 5-2 se puede observar cómo la corrosión de un tubo HK-40 penetra progresivamente dentro del material sano (metal de aspecto polvoriento), al mismo tiempo que los esfuerzos internos resultantes de la carburización provocan la deformación de la pared del tubo. Como por efecto de las distorsiones y huecos, la precipitación de grafito se acrecienta provocando con frecuencia un sobrecalentamiento localizado de la pared debido a que el grafito actúa como aislante. Puesto que con la corrosión y el sobrecalentamiento se promueven mutuamente con la precipitación del grafito, la vida de los tubos se acorta, obteniéndose fracturaciones prematuras debido a las deformaciones y distorciones. En la figura 5-3 se aprecia claramente que lo carcomido por la carburización afecta solamente a la superficie interna sin maquinar, mientras que las zonas de soldadura que fueron maquinadas están libres de corrosión. Este descubrimiento conjunto a la utilización definitiva de tubos maquinados interiormente en zonas de radiación de hornos de pirólisis en plantas de etileno, asegurando la remoción completa de asperezas y superficies porosas resultantes de la fundición. Con el maquinado de la superficie interior, se logró incrementar la vida del tubo de 8 000 a 24 000 horas de servicio, aproximadamente, en condiciones criticas de operación (temperaturas de pared entre 980-1 100º C), así como la demora de la incidencia de carburización. Sin embargo, es posible que la tubería se deforme después de 20 000 horas de trabajo efectivo como consecuencia de una carburización no uniforme. Figura 5-2 Corrosión progresiva y deformación por esfuerzos, provocados por carburización en tubos HK-40. Figura 5-3 Superficie carcomida por efecto de la carburización El ejemplo mostrado en la figura 5-4 corresponde a un tubo operando horizontalmente y las figuras 5-5 y 5-6, dos tubos en posición vertical. La carburización se desarrolla siempre en el lado expuesto al calor. La inducción de grandes esfuerzos, debido al incremento en volumen de la carburización pude percibirse claramente. Las zonas carburizadas tienden a alargarse, cuando son deformadas algunas secciones sin carbur1zar. En la figura 5-6 se aprecia una sección carburizada muy amplia que no admite un estiramiento pronunciado, ya que al ser aplicado el material se fractura en el centro de la sección como se muestra. Como consecuencia de los esfuerzos flexionantes, las fracturas se desarrollan sobre la cara exterior. La propagación de la fractura es diferente donde las zonas pequeñas están sujetas a carburización, como puede observarse en la figura 5-5. perteneciente a un tubo carburizado por ambos lados. En las zonas carburizadas se tiene un aplastamiento de la pared y por tanto flexionamiento de la fibra interna, Ing. IFT 98 quedando sometida la parte interna a grandes esfuerzos de compresión, presentándose fracturación por flexión en la línea de transición con material no carburizado en el centro del espesor de la pared. Los ejemplos de deformación y fracturación permiten reconocer que la falla no es debida a la presión interna del gas como función del proceso, sino que es el resultado de esfuerzos estructurales por efecto de reacciones de la carburización en el tubo, Por tanto, no solamente el material se pierde en forma de polvo metálico, sino que los esfuerzos inducidos por la carburización intervienen en la falla del tubo. Fig. 5-4 Carburización desarrollada en el lado al calor de un tubo HK-40, trabajando horizontalmente Fig. 5-5 Carburización desarrollada en el lado al calor de un tubo HK-40, trabajando horizontalmente Fig. 5-6 Carburización desarrollada en el lado expuesto al calor de un tubo HK-40, trabajando verticalmente Fallas de cabezales colectores Por choques térmicos Esta falla se ha presentado cuando los cabezales que operan arriba de 750 ºC ( 1 407 ºF) son enfriados interiormente con agua que les penetró al quedar atrapada en las curvas de colas de cochino, o arrastrada por el vapor de proceso en un descontrol de operación. El enfriamiento brusco provoca la destrucción de tubos de catalizador cuando llega a alcanzar la zona de radiación. Ing. IFT 99 Con objeto de tener una idea clara de la magnitud de este tipo de falla, se han hecho cálculos para determinar los esfuerzos desarrollados, encontrándose que alcanzan valores hasta de 2 113 kg/cm2 (30 000 lb/pulg2) por cada 30 ºC (100 ºF) de variación en la temperatura del metal; bajo estas condiciones no existe material que pueda resistir. Las medidas tomadas en consideración para la solución de este problema han consistido en eliminar la presencia de agua en el sistema con un mejor control de calidad en el vapor, y evitar las curvas prolongadas en colas de cochino. Por esfuerzos térmicos Han ocurrido cuando la planta está siendo parada lenta o bruscamente. Se deben a excesivos esfuerzos flexionantes y a esfuerzos y momentos impartidos al cabezal por la línea de transferencia. En un sistema donde la línea de transferencia está conectada a cabezales sin un buen anclaje, el cabezal tiene que absorber fuerzas de reacción y momentos desarrollados por la expansión térmica de la línea. Normalmente la línea de transferencia está revestida interiormente con capas gruesas de material refractario que le dan mucha rigidez, por lo que las fuerzas de reacción y momentos son muy grandes, impartiendo flexionamiento y esfuerzos axiales al cabezal superiores a los niveles permitidos para materiales aleados sometidos a temperaturas altas. La expansión diferencial entre la línea de transferencia y el reformador secundario de planta de amoniaco es muy grande, haciendo fallar al cabezal por la intensidad de los esfuerzos transmitidos. Por fragilización Como los cabezales colectores de gas reformado están sujetos a esfuerzos de tensión y contracción, y la incidencia de estos esfuerzos no puede eliminarse completamente en el diseño, la selección de material para trabajar a temperaturas de 850-1 050 ºC (1 587-1 947 ºF) debe ser entre aleaciones fuertes pero frágiles, con resistencia a la cedencia mayor que los esfuerzos de expansión y contracción calculados; o bien, un tipo de aleación relativamente dúctil que ceda sin fracturarse cuando el punto de cedencia sea rebasado. También, el cabezal puede fabricarse de una aleación fuerte, pero con esfuerzos de expansión y contracción diseñados con valor inferior al punto de cadencia de la aleación para que no falle. En base a las indicaciones expuestas, se escogió la aleación A 351 grado HU (0.40%C-l8% Cr-37% Ni) completamente austenítica con estructura de fundición (as cast) de granos de austenita sobresaturada con carbono, rodeados por un eutéctico de carburo y austenita, lográndose en esta forma un material dúctil con alargamiento superior a 15% a temperatura ambiente. Como esta aleación sufre envejecimiento al operar con temperaturas arriba de 450 ºC (867 ºF), el carbono de sobresaturación en la austenita es precipitado en toda la matriz, al principio como partículas muy finas que crecen en tamaño conforme avanza el envejecimiento. El efecto sobre la ductilidad a temperaturas bajas e intermedias es significativo y dramático, ya que el l5% de alargamiento de fundición (as cast), se reduce en menos de 4%; prácticamente esto significa que a temperaturas inferiores a 600 ºC (1 112 ºF) la aleación se fracturará cuando el esfuerzo aplicado exceda el punto de cedencia. Las precauciones adoptadas para minimizar la elevación de esfuerzos fueron las siguientes: 1.Maquinar totalmente las superficies interior y exterior para remover asperezas superficiales y zonas porosas. 2.Evitar cambios bruscos de sección. 3.Reducir al mínimo el número de uniones soldadas. 4.Asegurar que el cabezal no se encuentre encorvado o flexionado y permitirle expandirse libremente a lo largo de su eje. Ing. IFT 100 A pesar de estas precauciones, las fallas continuaron presentándose por descontroles en operación con cambios bruscos de temperatura y enfriamientos rápidos del cabezal, provocando su fracturación. Considerando que la aleación escogida resultó muy susceptible a descontroles de operación y a cambios repentinos de temperatura, fue necesario sustituirla por otra más tenaz y forjada corno el lncoloy 800 grado II (recocido en solución) 20% Cr-35% Ni-0.l0% C máximo, que a pesar de ser débil y costosa, los resultados en operación han justificado su selección. El Incoloy 800 es una aleación que se envejece a alta temperatura, su gran ductilidad es retenida desde temperatura ambiente hasta 850 ºC (1 587 ºF). Fallas por fragilización en combinación con esfuerzo, y choque térmico por frecuentes paros bruscos y lentos, provocaban roturas constantes de cabezales HK-40 en una planta de amoniaco. Disponiendo de repuestos del mismo material se hicieron cambios parciales, y, posteriormente se observó que el HK40 era más susceptible a dañarse, se decidió cambiar todos los cabezales por Incoloy 800 forjado y recocido en solución, permaneciendo en operación por más de 60 000 horas sin problema virtual. En una planta de metanol ocurrió algo similar, pero el daño fue precipitado significativamente debido a paros más frecuentes, influyendo parcialmente la falta de soportería en el extremo superior de los tubos del catalizador. Los cabezales colectores fueron cambiados aproximadamente 28 000 horas después del arranque inicial de la planta; tres de ellos del mismo material original A 351 Grado HP (0.40% C-26% Cr-35% Ni) fundido centrifugado; el cuarto cabezal fabricado de placa rolada de Incoloy 800 Grado II. Para minimizar esfuerzos y prolongar la duración se tomaron las siguientes precauciones: 1. Control más cerrado en la operación. 2. Instalación de soportes en el extremo superior de los tubos del catalizador. 3. Asegurar que los cabezales se expandan y deslicen libremente a lo largo de su eje. 4. Que apoyos y soportes de la línea de transferencia operen eficientemente. 5.2 ALEACIONES DE NIQUEL-FIERRO-CROMO Por su comportamiento sobresaliente contra la oxidación, carburización, sulfatación así como por sus buenas propiedades mecánicas, estas aleaciones tienen una aplicación muy amplia en procesos petroquímicos a temperaturas altas. En el área de reformación de plantas dc amoniaco, metanol e hidrógeno, se utilizan en cabezales colectores, colas de cochino, líneas de transferencia, componentes internos de reformadores secundarios, recipientes, etc. Este tipo de aleaciones se encuentran en las siguientes especificaciones: ASTM B163 ASTM B408 ASTM B409 ASTM B514 ASTM B515 Para tubos sin costura de condensadores e intercambiadores de calor. Para varilla y barra. Para placa, lámina y tira. Para tubería de línea soldada. Pan tubos soldados. La composición química en porciento es la siguiente: Níquel (Ni) 30.0-35.0 Cromo (Cr) 19.0-23.0 Fierro (Fe) Balance Manganeso (Mn) l.50 máx. Carbono (C) 0.10 máx. Cobre (Cu) 0.75 máx. Silicio (Si) 1.0 máx. Ing. IFT 101 Azufre Aluminio Titanio (S) (Al) (Ti) 0.015 max. 0.15-0.60 0.15-0.60 El cromo imparte resistencia a la oxidación y corrosión. El alto contenido de níquel conserva estable la estructura austenítica, manteniendo la gran ductilidad de estas aleaciones a temperatura ambiente y a temperatura alta. El níquel también contribuye a la resistencia contra la sulfatación, a la corrosión en general y a la fracturación por esfuerzo y corrosión. El fierro ayuda a la resistencia contra el ataque de azufre y contra la putrefacción u oxidación interna (green rot). En general, las cualidades básicas requeridas para un material que se va a utilizar en procesos petroquímicos a temperaturas altas son las siguientes: -Resistencia a la oxidación, sulfatación, carburización y corrosión, suficiente resistencia mecánica y buenas propiedades de resistencia a la fatiga y ruptura. -Además ser conformable y soldable. INCOLOY 800, NICROFER 3220, RA-330, etc., son marcas registradas de aleaciones a base de níquel-fierro-cromo cuya composición química nominal cae dentro de los límites de las especificaciones estándar señaladas. Además de reunir las cualidades básicas requeridas, las experiencias logradas con el uso y aplicación de estas aleaciones en servicio de alta temperatura en plantas de amoniaco, etileno, metanol e hidrógeno han sido plenamente satisfactorias. Normalmente pueden ser adquiridas en las formas y perfiles descritos, tratados térmicamente en dos condiciones: Grado l Recocido aproximadamente a 1 100 ºC (1 8850 ºF) Grado 2 Recocido en solución o tratado en solución aproximadamente a 1 149 ºC (2 100 ºF). Las propiedades mecánicas mínimas requeridas se dan en la tabla 5-6. Los valores obtenidos para el material en grado 2 son aplicables al material en su condición de estirado (as extruded), ya que por las altas temperaturas utilizadas en el estiramiento, es equivalente a recocido en solución. En la tabla 5-7 se dan las propiedades características de tensión y dureza a diferentes temperaturas de prueba. En la tabla 5-8 las correspondientes a tubo en su condición de estirado (as extruded). Estas aleaciones pueden ser trabajadas y soldadas fácilmente por los procedimientos convencionales estándar. Por su estructura austenítica estable, no se forma la fase sigma aún despues de haber trabajado por largo tiempo dentro del rango crítico de 649-871 ºC (1 200-1 600 ºF). TABLA 5-6 PROPIEDADES MECANICAS MINIMAS Propiedad Resistencia a la tensión Kg/cm2 Resistencia a la cedencia (0.2%) en Kg/cm2 Alargamiento en 50 mm en porciento Ing. IFT Condición Grado 1 Recocido aprox. a 1 010 ºC (1 850 ºF) 5 282 2 113 30 Grado 2 Recocido en solución aprox. a 1 140 ºC (2 l00 ºF) 4 929 1 760 30 102 TABLA 5-7 PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE TENSION Y DUREZA A DIFERENTES TEMPERATURAS ºC Temperatura ºF 27 426 538 648 704 760 Recocido aprox. a 1 010 ºC (1 850 ºF) Resistencia a la Resistencia a la tensión Kg/cm2 cedencia (0.2%) Kg/cm2 6 021 2 549 5 218 1 753 5 190 1 817 4 134 1796 3 260 1782 2 429 1521 80 800 1 000 1 200 1 300 1 400 Temperatura 27 426 538 649 704 760 Dureza Brinnell 138 120 119 110 97 66 Recocido en soluciónaprox. a 1 010 ºC (1 850 ºF) 80 800 1 000 1 200 1 300 1 400 5 479 4 753 4 415 3 859 3 359 2 408 1 528 1 324 915 951 1 113 922 126 ----90 84 82 74 TABLA 5-8 PROPIEDADES CARACTERISTICAS DE TUBO EN CONDUCCION DE ESTIRADO (AS STRUDED) ºC Temperatura ºF 29 648 760 816 871 927 982 85 1 200 1 400 1 500 1 600 1 700 1 800 Resistencia a la tensión Kg/cm2 5 352 3 697 2 134 1 662 1 127 831 627 PROPIEDADES Resistencia a la cedencia (0.2%) Kg/cm2 1 823 1 268 1 106 1 218 951 648 507 Alargamiento en 50 mm en porciento 60.0 47.0 85.0 98.0 109.5 111.5 131.5 Reducción del área en porciento -----59.0 73.0 79.5 92.5 93.0 94.0 Trabajo en caliente y en frío Estos materiales pueden ser trabajados en caliente y en frío. Las operaciones de forjado deben iniciarse a 1 204 ºC (2 200 ºF). En forjas pesadas no es permitido que la temperatura descienda abajo de 1 010 ºC (1 850 ºF). Se pueden desarrollar trabajos de forjado ligero, entre 871-1 010 ºC (1 600-1 850 ºF); pero ningún trabajo deberá efectuarse entre 871-649 ºC (1 600-1 200 ºF) por el riesgo de fracturación. La velocidad de enfriamiento, siguiente al trabajo en caliente, no es crítica con respecto a la fracturación térmica. Sin embargo, estas aleaciones están expuestas a la precipitación de carburos entre 538-760 ºC (1 000-1 400 ºF), y si la aplicación posterior requiere estar libre de sensibilización, el material tendrá que ser enfriado rápidamente a través de este rango de temperaturas. Ing. IFT 103 Calentamiento Para mejores resultados en el calentamiento de estos materiales, deberán controlarse dos variables. 1.La temperatura y 2.La atmósfera del horno Para comprobar la temperatura dentro del horno se recomienda utilizar un pirómetro óptico. La atmósfera del horno debe ser ligeramente reductora y con un contenido aproximado de 2% de CO durante las operaciones de forja y recocido en solución. Además, es necesario mantener una presión ligeramente positiva dentro del horno para evitar infiltración de aire. Los combustibles utilizados deben ser de bajó contenido de azufre; el material estar limpio, libre de aceite, pintura, grasa, para colocarse dentro del horno. Se recomiendan las siguientes reglas para el calentamiento: 1. Utilizar un combustible con bajo contenido de azufre. a) El aceite combustible no debe contener más de 0.5% de azufre (en peso). b) El gas combustible no debe contener más de 30 gramos de azufre toal por cada 100 pies cúbicos; preferentemente un promedio de 10-15 gramos. 2. El horno debe tener la temperatura correcta antes de cargar la pieza. 3. Controlar la temperatura y el tiempo de calentamiento para evitar un crecimiento excesivo del grano. 4. Mantener una atmósfera reductora constante y una presión positiva dentro del horno. Una atmósfera fluctuante entre oxidante y reductora resulta perjudicial. 5.2.1 TRATAMIENTO TERMICO Recocido en solución Recocido en solución consiste en un calentamiento controlado de metal a una temperatura de 1121-1 149 ºC (2 050-2 100 ºF), manteniendo durante una o dos horas, enseguida apagar quemadores, abrir el horno, remover la pieza y dejar enfriar al aire. Recocido El recocido en combinación con trabajo en frío se utiliza para obtener amplios rangos de resistencia y dureza, debido a que la aleación solamente puede ser endurecida por trabajo en frío. Las propiedades mecánicas del material trabajado en frío en exceso, son ligeramente afectadas por temperaturas abajo de 538 ºC (1 000 ºF). El relevado de esfuerzos internos se inicia aproximadamente a 538 ºC (1 000 ºF) y virtualmente es completo, después de mantenerse durante hora y media a 871 ºC (1 600 ºF). El ablandamiento por recocido empieza aproximadamente a 760 ºC (1 400 ºF), completándose después de permanecer durante 10 o 15 minutos a una temperatura de 982 ºC(1 800 ºF). La velocidad de enfriamiento desde la temperatura de recocido no tiene ningún efecto sobre la dureza. Es importante conocer que resultados deben esperarse de un tratamiento térmico de recocido y de recocido en solución, aplicado a estas aleaciones. En la tabla 5-9 puede observarse el efecto de la temperatura sobre el tamaño del grano y las propiedades mecánicas del material a las temperaturas de ambos tratamientos, en comparación con las propiedades del mismo a temperatura ambiente (27 ºC; 80 ºF). Ing. IFT 104 TABLA 5.9 EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LAS PROPIEDADES Temperatura ºC ºF Tamaño de grano (promedio) mm Resistencia a la cedencia (0.2%) Kg/cm2 Resistencia a la tensión Kg/cm2 Alargamiento en 50 mm en % Reducción del área en % Dureza Reckwell B 27* 0.0203 3 345 6 197 43.0 70.5 84.0 1010** 1850 80 0.0508 3 063 6 021 43.0 69.5 77.0 1149*** 2100 0.1448 2 042 5 387 53.5 67.5 60.0 *Ambiente; **Recocido; ***Recocido en solución. De los valores obtenidos en la tabla 5.9 se deducen los resultados, que en forma aproximada y comparados con la temperatura ambiente deben esperarse: De un recocido a 1 010 ºC (1 850 ªF) 1. Tamaño del grano 2.5 veces mayor. 2. Resistencia a la cedencia reducida en 8.4%. 3. Resistencia a la tensión reducida en 2.8%. 4. Alargamiento en 50 mm sin variación aparente. 5. Reducción de área menor en un punto porcentual. 6. Dureza Rockwell B reducida en 8.3%. De un recocido en solución a 1 149 ºC (2 100 ºF) 7. Tamaño del grano 7 veces mayor. 8. Resistencia a la cedencia reducida en 38.9%. 9. Resistencia a la tensión reducida en 13%. 10. Alargamiento en 50 mm aumentado en 1.24%. 11. Reducción de área menor en tres puntos porcentuales. 12. Dureza Rockwell B reducida en 28.6%. Soldabilidad Las aleaciones níquel-fierro-cromo forjadas o estiradas, en su condición de recocido o estirado, pueden soldarse entre si y a materiales disímiles como aceros al carbono, carbono-molibdeno, cromo-molibdeno, aceros inoxidables austeníticos y aleaciones HK-40 por el procedimiento de arco protegido (SMA) con electrodos clasificación AWS-ENi Cr Fe-2 y AWS-ENi Cr Fe-3. Para el paso de raíz se recomienda varilla AWS-ERNi Cr-3 con gas inerte (TIG). Fallas Puesto que estas aleaciones son muy utilizadas en cabezales colectores y colas de cochino en plantas de amoniaco, metanol e hidrógeno, hace tiempo llamó la atención las frecuentes fallas que se presentaban en colas de cochino. Investigaciones efectuadas para determinar las causas, revelaron algunos puntos importantes que actualmente son considerados para diseño y fabricación. Se determinó que la causa más común de falla en la tubería para colas de cochino, se debía a una baja resistencia de ruptura. Para resistencia máxima, el material debe estar en condición de recocido en solución. Se crearon métodos para verificar la condición del material y propiedades resultantes que incluyeron pruebas de esfuerzo-ruptura y determinación del tamaño de grano. La cantidad de trabajo en frío requerida para la fabricación de colas de cochino, no afectaba la resistencia del material si se operaba a temperaturas más bajas a las de su punto de recristalización. El trabajo en frío hace bajar más la temperatura de recristalización de la alaeción, haciéndose necesario un recocido en solución después del trabajo en frío. Ing. IFT 105 Los materiales utilizados para soldar son de más baja resistencia a la fatiga térmica y ductilidad de ruptura que el material base. Sin embargo, un diseño apropiado y técnicas de fabricación proporcionan una solución adecuada. El contorno interior de las soldaduras debe ser lo más liso posible para prevenir la carburización por la precipitación de grafito. Se debe remover la escoria, limpiar entre cordón y cordón de soldadura para evitar provocación de corrosión por escoria atrapada. Material base Ya se indicaron las cualidades básicas requeridas de estos materiales para trabajar a temperaturas altas (arriba de 591 ºC, 1 100 ºF). Los esfuerzos de diseño para estas condiciones normalmente están basados en la resistencia a la deformación plástica (creep) y ductilidad de ruptura. En la tabla 5.10 se proporcionan esfuerzos de diseño a la tensión máximos permitidos para diferentes temperaturas del metal. Generalmente el tubo para colas de cochino debe ser doblado en la condición de recocido (Grado 1), pero si los esfuerzos de diseño fueran basados en la resistencia a la deformación plástica (creep) y ductilidad a la ruptura de un material recocido en solución (Grado 2), obviamente debe recocerse en solución antes de ponerse a trabajar. Para fabricación de colas de cochino es conveniente decidir cuándo aplicar el recocido en solución, si debe ser antes o después del conformado, pues dependerá de la cantidad de trabajo en frío y de la temperatura máxima de operación a que van a estar expuestas. Efecto del trabajo en frío en las propiedades mecánicas Si el tubo es recocido en solución antes de conformarlo, debe determinarse el efecto del trabajo en frío sobre las propiedades esfuerzo-ruptura. Las pruebas de laboratorio han revelado que el trabajo en frío desarrollado en un 25% de deformación, no tiene efectos contrarios en la resistencia de ruptura del material, si es sometido a una temperatura abajo y hasta la de su punto de recristalización (941 ºC, 1 750 ºF, aproximadamente); pero como el trabajo en frío hace bajar más la temperatura de recristalización, podría afectar la cantidad de crecimiento del grano al aplicarse un tratamiento térmico posterior. El tamaño del grano de muestras probadas a la ruptura han indicado que la temperatura de recristalización del material que fue recocido en solución antes y conformado en frío después, con un 25% de deformación. está entre 760-871 ºC (1 400-1 600 ºF), o probablemente a 843 ºC (1 550 ºF), pudiendo trabajar debajo de esta temperatura sin pérdida de sus propiedades; pero si se utilizara para trabajar a temperaturas más altas, deberá ser recocido en solución otra vez, después del conformado en frío. Aproximadamente se requiere un 10% de trabajo en frío para el doblado de colas de cochino. Con este porcentaje de deformación en frío el material tiene una temperatura de recristalización de 940 ºC (1 725 ºF) aproximadamente; pero por ser aproximaciones e imposible de operar con temperaturas precisas, se recomienda que la tubería sea recocida en solución después de conformada en frío si se va a trabajar a 8 16 ºC (1 500 ºF), aún siendo la temperatura de recristalización de 940 ºC (1 725 ºF). Ing. IFT 106 TABLA 5.10 ESFURZOS DE DISEÑO MAXIMOS PERMITIDOS PARA DIFERENTES TEMPERATURAS DEL METAL Temperatura del metal ºC 38 93 149 204 260 315 343 371 399 427 454 482 510 538 565 593 621 649 676 704 732 760 816 ºF 100 200 300 400 500 600 650 700 750 800 850 900 950 1 000 1 050 1 100 1 150 1 200 1 250 1 300 1 350 1 400 1 500 Esfuerzo de tensión máximo permitido en Kg/cm2 Grado 1 Grado 2 1 317 1 176 1 317 1 007 1 260 908 1 211 838 1 176 775 1 148 746 1 134 739 1 120 718 1 106 711 1 091 697 1 077 690 1 063 683 1 049 676 1 035 662 1 021 662 915 662 690 655 465 556 296 422 141 324 113 253 77 197 56 120 Comprobación de propiedades El primer paso para asegurar que el material tiene las propiedades adecuadas es veríficar que su composición química esté dentro de especificación. Las variaciones permitidas por las normas no son suficientes para causar diferencias significativas en las propiedades del material. Es importante que la tubería esté en condición de recocido en solución al ser puesta en servicio. Existen varios métodos para determinar la condición del material. El más efectivo consiste en hacer una prueba de ruptura adaptada a la temperatura de operación. Una prueba de ruptura duplicando las condiciones de servicio, no resulta práctica por estar diseñadas las unidades del reformador para una vida aproximada de 10 años. Sin embargo, otras pruebas de ruptura realizadas a la temperatura de operación, pero con un esfuerzo incrementado, ofrecen medios prácticos y confiables para la determinación de la condición del material. Otra prueba consiste en la determinación del tamaño de grano, utilizada como una indicación de la condición del material que no es tan confiable como la prueba esfuerzo-ruptura, pero que es más económica y requiere menos tiempo para desarrollarse. Es importante señalar que en comprobaciones efectuadas sobre el tamaño del grano de estas aleaciones con resultados de 0.0635 mm de diámetro promedio y en ocasiones más grueso, las propiedades mecánicas y esfuerzo a la ruptura correspondieron a las del material en su condición de recocido en solución. Ing. IFT 107 SIMBOLOS Y ABREVIATURAS AISI ASME ASTM AWS cm Kg/cm2 lbs/pulg2 MIG máx. min. mm ºC ºF SMA Temp TIG Ing. IFT AMERICAN IRON AND STEEL INSTITUTE (Instituto Americano del hierro y del Acero) AMER1CAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS (Sociedad americana de ingenieros mecánicos) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (Sociedad americana para pruebas y materiales) AMERAN WELDING SOC1ETY (Sociedad americana de soldadura) Centímetros Kilogramos por centímetro cuadrado Libras por pulgada cuadrada METAL INERT GAS (Soldadura al arco de metal protegido con gas inerte) Máximo Mínimo Milímetros Grados centígrados Grados Fahrenheit SHIELD METAL ARC 1 1 (Soldadura de Arco Protegido) Temperatura TUNGSTEN INERT GAS (Soldadura al arco tungsteno con gas inerte) 108