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Soldadura de aceros para aplicaciones criogénicas

26 abril 2009

El gas natural es más eficiente almacenado y transportado en fase líquida, lo cual supone llevar el material a temperaturas por debajo de -163ºC. Para ello se requiere materiales económicos y que trabajen bien a bajas temperaturas, como el acero al 9% de Níquel, que ha sido desarrollado para tener una buena tenacidad y resistencia al impacto a bajas temperaturas para evitar la propagación de grietas, buena ductilidad y resistencia la tracción. En este artículo se revisará la metalurgia y soldabilidad de estos aceros, aspectos generales para la soldadura así como las precauciones a tener en cuenta para realizar una soldadura con este acero.

METALÚRGIA DE MATERIALES CRIOGÉNICOS.

La propiedad más crítica de los aceros para aplicaciones criogénicas es su tenacidad. Los materiales ferríticos presentan un cambio en su comportamiento mecánico cuando son expuestos a bajas temperaturas; esto se manifiesta por una reducción en la tenacidad del acero, caracterizada por un cambio de un comportamiento dúctil a frágil cuando la temperatura decrece por debajo de la temperatura critica de transición. Esta temperatura no se puede apreciar en todos los materiales dependiendo de su estructura cristalina; para el caso de los aceros, dicha temperatura se presenta en los aceros ferríticos mientras que no se aprecia en los austeníticos.

 En los aceros ferríticos el carbono afecta la energía de impacto; es sabido que a medida que el contenido del carbono incrementa, la energía de impacto baja y la temperatura de transición incrementa como se observa en la figura 1.

Figura-1

Figura 1. Efecto del contenido de carbono en la tenacidad del acero.

 

El níquel sin embargo mejora la tenacidad del acero a bajas temperaturas reduciendo la temperatura de transición pero solo con adiciones superiores del 13% en peso desapareciendo la temperatura de transición dúctil-frágil como se aprecia en la figura 2.

figura-2

Figura 2. Efecto del contenido de Níquel en la tenacidad del acero.

Para temperaturas por debajo de -196°C la selección cambia a aceros inoxidables austeníticos y a aluminio. Además de las propiedades de tenacidad, la resistencia del metal a la tracción es también muy importante para la selección del material estructural para tanques o tuberias. Los aceros ferríticos en este caso, se ha visto que ofrecen mejores propiedades de fluencia y esfuerzo máximo, como se aprecia en la Figura 3. Una adición del 5% níquel, incrementa estas propiedades por encima de los otros dos aceros austeníticos, sin embargo la adición del 9% níquel proporciona una mejora mayor.

figura-3Figura 3. Propiedades mecánicas de aceros empleados en aplicaciones criogénicas. 

 

ACEROS AL 9% DE NÍQUEL.

Además de afectar las propiedades mecánicas del acero, el níquel impacta la transformación de la austenita a productos típicos de baja temperatura, ferrita, bainita y martensita. El níquel no solo demora la transformación de la austerita, sino que aumenta la templabilidad del acero. La Figura 4 muestra la curva de enfriamiento continuo (CCT), y el efecto de la adición de 9% de níquel que mejora la templabilidad, dado que reduce la velocidad crítica de enfriamiento, durante los tratamientos térmicos para producir martensita. Se observa también que el níquel reduce las temperaturas, de inicio y final, de la transformación martensítica, pudiendo de esta manera obtener austenita retenida después del enfriamiento, lo que contribuye a mejorar la tenacidad de estos aceros criogénicos.

 

figura-4

Figura 4. Curva CCC

SOLDADURA DE ACEROS AL 9% DE NÍQUEL.

Generalmente estos aceros se sueldan en la condición posterior al tratamiento térmico. La preparación de la junta debe realizarse cuidadosamente; debe evitarse bordes agudos para tratar de no inducir magnetización en las planchas. Las superficies deben limpiarse cuidadosamente con acetona o algún disolvente orgánico para eliminar contaminantes que
puedan ocasionar defectos en la soldadura.

Aspectos en la fabricación por soldadura
• Evaluación de los procesos de soldadura a emplear
• Material de aporte a utilizar
• Procedimiento de soldadura

Evaluación de los procesos de soldadura a emplear:
Procesos de soldadura tales como soldadura por arco sumergido (SAW), soldadura con arco protegido con gas (GMAW), soldadura de arco con electrodo de tungsteno (GTAW) y soldadura con electrodo revestido (SMAW) pueden ser empleados, sin embargo el proceso SMAW resulta ser un proceso viable y flexible para soldar en cualquier posición o material y en campo. Para este proceso se suelen emplear electrodos básicos.

Material de aporte a utilizar:
Los materiales de aporte varían desde aleaciones ferríticas hasta aquéllas de alto porcentaje de Ni (80Ni/20Cr/0.26C); éstas generalmente son utilizadas en aplicaciones de alta temperatura. Las aleaciones ferríticas alrededor de 12 %Ni son económicas, sin embargo no son aceptadas para los tamaños de los tanques de almacenamiento de hoy en día. El objetivo primordial en seleccionar el material de aporte es conseguir un metal homólogo al metal base que sea tenaz, dúctil para reducir las tensiones residuales de la ZAT (Zona Afectada Térmicamente) (elong. > 35%), y con un coeficiente de expansión térmica bajo y similar al metal base, para evitar la fatiga térmica en la unión. Debido a que los tanques para gas natural líquido están sujetos a continua expansión y contracción, la constante de expansión térmica de los materiales de aporte deben ser similares a los del material base. En la Figura 7 se observa que el material de aporte ENiCrMo-6 se acerca más a la expansión térmica del material base a diferentes temperaturas.

figura-6

Figura 5. Coeficiente térmico lineal en función de la temperatura, para diferente metales de aporte y material base acero al 9% de carbono.

 

PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA.

Calificación de soldadura:
Los procedimientos de soldadura para el acero 9% Ni son calificadas bajo el Código ASME Sección IX y la Sección VII Div. 1, para aplicaciones ULT (Ultra Low Temperatures) requiere ensayos de tracción adicionales a temperaturas igual o por debajo de lo permitido por el diseño del recipiente.

La siguiente tabla muestra los diferentes procesos de soldadura para aceros al 9% de Níquel.

 

figura-7

Figura 6. Procesos de soldadura para aceros al 9% de Níquel.

 

Calor de Aporte
Así como con otros aceros empleados para bajas temperaturas, los aceros al 9% níquel deben ser soldadas con calores de aporte controlados para preservar su característica de resistencia al impacto en la ZAT. Bajos aportes de calor son empleados aún para el proceso SAW. Datos de laboratorio sugieren aportes de calor basado en el espesor de la plancha, descritos en la Tabla siguiente, a considerarse en el procedimiento de soldadura:

 

figura-8

Figura 7. Calor de aporte en la soldadura.

 

Precalentamiento
Las soldaduras de aceros al 9% níquel realizadas con materiales de aporte austeníticos son relativamente inmunes a problemas de fisuración en frío. Sin embargo, para espesores mayores que 25.0 mm se sugiere un precalentamiento a 35°C y que planchas más delgadas no sean soldadas por debajo de la temperatura de rocío. El código ASME Sección VIII Caso 2214 provee información adicional acerca de los requerimientos de precalentamiento en situaciones especiales.

Post Calentamiento
El código ASME no sugiere un tratamiento térmico posterior a la soldadura para aceros al 9% Ni de espesores igual o menores a 50.0 mm. Pero existen excepciones para requerimientos de fabricación según ASME Sección VIII, Div. 1 ULT-79. La temperatura para tratamiento térmico post soldadura debe ser controlada y menor de la temperatura de revenido del metal base; el rango usado es 551-583°C. La velocidad de enfriamiento debe ser menor a 167°C/h para evitar la reducción en la tenacidad al impacto del acero.

CONCLUSIONES

• Los aceros ASTM A553/553M cumplen con los requisitos de tenacidad y máxima resistencia al esfuerzo hasta temperaturas alrededor de -196°C. La microestructura muestra gran resistencia a la iniciación y propagación de fisuras.
• Los procesos de soldadura empleados son diversos, sin embargo el proceso SMAW resulta ser un proceso viable y flexible para soldar en cualquier posición o material y en campo.
• Materiales de aporte con alto contenido de níquel son los más apropiados para soldar aceros al 9% níquel. Asimismo, la constante de expansión térmica es un importante factor a considerar para seleccionar el material de aporte.
• Calores de aporte deben ser controlados para preservar la tenacidad en la ZAT. El tratamiento térmico post calentamiento debe regirse a los códigos establecidos. 

Bibliografía:

- Metalurgia y soldabilidad de uniones soldadas. Oscar A. QuintanaP. y J. Ernestco Indacochea

 Joining Science & Advanced Materials Research Laboratory

Materials Engineering Department

University of Illinois at Chicago

Chicago, Illinois USA

- Diseño y construcción de uniones soldadas. J. Cañas, F. París, R. Picón

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4 comentarios leave one →
  1. 28 abril 2009 16:11

    Muy buen tema, Jose.

  2. luis carlos cruz permalink
    30 junio 2010 19:32

    Es interesante el articulo,pero me gustaria saber el porque se esmerila la vista de todas las soldaduras,tanto planas,horizontales y verticales.Existe alguna razon tecnica para esto o simplemente es para preparar la soldadura para los ensayos no destructivos como PT,UT y RT.

    • alan permalink
      5 junio 2012 15:53

      No es necesario esmerilar el refuerzo de las soldaduras (vista) para realizar las PND

  3. 13 septiembre 2012 17:05

    Un magnífico resumen

    Deben corregir comentario en figura 5: dice 9% de carbono y debe decir 9% Ni

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