¿Cómo consigue un metal mantener su fuerza y resistir la corrosión a altas temperaturas? El acero al cromo-molibdeno, ampliamente utilizado en el refino de petróleo y la industria química, lo consigue gracias a su composición de aleación única. Esta entrada del blog explora las propiedades, la resistencia al calor y la resistencia a la corrosión del acero al cromo-molibdeno. Descubra el diseño, las consideraciones de fabricación y por qué este material es crucial para aplicaciones de alta temperatura y alta presión. Sumérjase y descubra cómo el acero al cromo-molibdeno puede mejorar su próximo proyecto de ingeniería.
El acero al cromo-molibdeno, también conocido como acero resistente al hidrógeno a media temperatura, es una aleación de alto rendimiento caracterizada por su mayor resistencia a altas temperaturas y a la fluencia. Esta mejora se consigue mediante la adición estratégica de elementos de aleación, principalmente cromo (Cr ≤10%) y molibdeno (Mo).
El efecto sinérgico de estos elementos de aleación no sólo mejora las propiedades mecánicas del acero, sino que también le confiere una excelente resistencia a la fragilización por hidrógeno y un rendimiento superior a altas temperaturas. Estas características hacen del acero al cromo-molibdeno un material indispensable en diversas aplicaciones industriales exigentes, como el refinado de petróleo, los equipos de procesamiento químico de hidrógeno y los aparatos de alta temperatura.
En el ámbito de la fabricación de recipientes a presión, el acero al cromo-molibdeno se ha consolidado como el material preferido por su combinación única de propiedades. Su capacidad para mantener la integridad estructural a temperaturas y presiones elevadas, junto con su resistencia a la degradación inducida por el hidrógeno, lo hacen especialmente adecuado para los entornos difíciles que se encuentran en las industrias de procesos.
Este artículo profundiza en los polifacéticos aspectos del acero al cromo-molibdeno en el contexto del Proyecto de Síntesis de Metanol de Jiutai. Exploraremos las características distintivas del material y examinaremos las consideraciones críticas a lo largo de varias etapas de la implementación del proyecto, incluyendo la optimización del diseño, los procesos de fabricación, los protocolos de pruebas no destructivas, los regímenes de tratamiento térmico y los procedimientos operativos durante la puesta en marcha y la parada de la planta. Al abordar estos factores de forma exhaustiva, pretendemos aportar ideas que puedan contribuir al funcionamiento seguro, eficiente y fiable de los equipos de acero al cromo-molibdeno en la síntesis de metanol y otros procesos industriales similares de alto riesgo.
La adición de elementos como el cromo, el molibdeno y el alumbre mejora la resistencia del acero a la oxidación a alta temperatura y su resistencia a altas temperaturas.
El mecanismo de acción es el siguiente: El cromo existe principalmente en la cementita (Fe3C), y el cromo disuelto en la cementita aumenta la temperatura de descomposición de los carburos, impidiendo la aparición de grafitización, lo que aumenta la resistencia térmica del acero.
El molibdeno tiene un efecto de refuerzo de la solución sólida en la ferrita y también puede aumentar la estabilidad de los carburos, lo que beneficia a la resistencia a alta temperatura del acero.
La inclusión de una cantidad adecuada de vanadio permite que el acero mantenga una estructura de grano fino a temperaturas más elevadas, lo que mejora su estabilidad térmica y su resistencia.
Elementos como el cromo y el molibdeno aumentan la estabilidad de los carburos, impidiendo su descomposición, con lo que se reduce la posibilidad de formación de metano debido a la reacción de los carburos y el carbono precipitado con el hidrógeno.
La adición de vanadio permite que el acero mantenga una estructura de grano fino a temperaturas más elevadas, lo que aumenta significativamente su estabilidad en condiciones de alta temperatura y presión.
La fragilización por revenido del acero al cromo-molibdeno se refiere al fenómeno por el cual la tenacidad al impacto del acero disminuye cuando se utiliza durante un largo periodo de tiempo dentro del intervalo de temperaturas de 370°C a 595°C.
Este es el intervalo exacto de temperaturas dentro del cual funcionan nuestros equipos de hidrógeno de uso común. Los estudios experimentales han demostrado que en el acero al cromo-molibdeno para recipientes a presión, la fragilización por revenido es más grave cuando el contenido de cromo se sitúa entre 2% y 3%.
Elementos como el fósforo, el antimonio, el estaño, el arsénico, el silicio y el manganeso tienen un impacto significativo en la fragilización por revenido. La fragilización es reversible; los materiales que se han fragilizado gravemente pueden des fragilizarse mediante un tratamiento térmico adecuado.
Debido a la incorporación de elementos de aleación como el cromo, el molibdeno y el vanadio, se reduce la velocidad crítica de enfriamiento del acero, lo que aumenta la estabilidad de la austenita sobreenfriada.
Si la velocidad de enfriamiento de la soldadura es rápida, la transformación de austenita a perlita en la zona sobrecalentada de la zona afectada por el calor es poco probable que se produzca.
En su lugar, se transforma en martensita a temperaturas más bajas, formando una estructura templada.
Bajo la acción combinada de la tensión residual compleja en el junta soldada y el hidrógeno difuso, la estructura templada en el área de soldadura y la zona afectada por el calor es muy susceptible al agrietamiento retardado inducido por el hidrógeno.
En condiciones operativas específicas, los materiales seleccionados no sólo deben tener una resistencia superior a la corrosión por hidrógeno, sino también controlar eficazmente la tendencia a la fragilidad del temple.
También deben poseer una buena soldabilidad. La composición química determina la estructura, la estructura determina el rendimiento y el rendimiento determina el uso. En última instancia, la clave reside en el control de la composición química.
3.1.1 Medidas contra la corrosión por hidrógeno
El acero al cromo molibdeno no experimenta corrosión por hidrógeno ni siquiera a alta presión y a bajas temperaturas (~200°C). Sin embargo, puede sufrir corrosión por hidrógeno cuando funciona en entornos de hidrógeno a alta temperatura y alta presión.
Normalmente, seleccionamos materiales de acero al cromo molibdeno para condiciones de funcionamiento específicas basándonos en la curva Nelson, que corresponde a la temperatura de funcionamiento y a la presión parcial de hidrógeno.
Como puede observarse en la curva de Nelson, cuanto mayor es el contenido de cromo y molibdeno, mayor es la resistencia a la corrosión por hidrógeno.
En la curva, si las condiciones de funcionamiento del recipiente están por encima de la línea continua, indica la aparición de corrosión por hidrógeno. Si están por debajo de la línea continua, indica que no se producirá corrosión por hidrógeno.
3.1.2 Medidas para controlar la tendencia a la fragilidad del temperamento
Regulando el contenido de elementos como P, Sb, Sn, As, Si, Mn en el material, se puede controlar la tendencia a la fragilidad del temple.
Para ello se suelen utilizar el coeficiente de sensibilidad a la fragilización por revenido J del acero común y el coeficiente de sensibilidad a la fragilización por revenido x del metal de soldadura. Para el acero común 2,25Cr-1Mo, se utilizan los siguientes índices de control:
En aplicaciones prácticas de ingeniería, también es necesario controlar el contenido de elementos residuales Cu y Ni. El contenido de Cu no debe superar 0,20%, y el de Ni 0,30%.
3.1.3 Determinación de la sensibilidad a las grietas
La sensibilidad a las grietas está relacionada con el carbono equivalente, cuyo valor debe determinar el fabricante basándose en la proceso de soldadura evaluación.
El método de cálculo es: Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15.
A medida que aumenta el valor del carbono equivalente, se deteriora la soldabilidad del acero. Cuando el valor Ceq es superior a 0,5%, la sensibilidad a la fisuración en frío aumenta, y la soldabilidad y la procesos de tratamiento térmico será más estricta.
Para los materiales de acero Cr-Mo de uso común con 485Mpa ≤ UTS <550Mpa, Ceq suele limitarse a aproximadamente 0,48%.
Cuando la soldadura simulada y tratamiento térmico posterior a la soldadura se realizan en las placas de ensayo de soldadura del producto, el carbono equivalente máximo puede aumentarse a 0,5%.
Debido a la elevada tendencia al endurecimiento del acero Cr-Mo, es propenso a la fisuración retardada y al agrietamiento en las soldaduras de esquina.
Por lo tanto, el diseño estructural debe prestar atención a los siguientes puntos:
3.2.1 Reducir el grado de restricción y diseñar razonablemente la estructura de la junta.
3.2.2 La superficie de soldadura no debe presentar socavaduras.
3.2.3 El refuerzo de los agujeros debe realizarse en su totalidad, y no deben utilizarse estructuras de refuerzo en anillo.
3.2.4 No deben utilizarse boquillas de extensión interna.
3.2.5 La conexión con los accesorios debe adoptar una doble cara penetración total estructura, y no deben utilizarse soldaduras en las esquinas.
3.2.6 En la unión a tope del cilindro se utilizará preferentemente una junta en forma de U ranura.
El acero Cr-Mo tiene un valor equivalente de carbono mayor y, por lo general, tiende a agrietarse en frío en diversos grados. Esto puede evitarse con las siguientes medidas:
3.3.1 Control estricto del contenido de hidrógeno en el varilla para soldar y utilizar un electrodo básico de bajo hidrógeno.
3.3.2 El precalentamiento debe realizarse antes de soldar el conjunto del equipo. Mediante el precalentamiento, la velocidad de enfriamiento del material de soldadura puede reducirse para evitar la formación de estructuras duras y quebradizas.
La temperatura de precalentamiento viene determinada por evaluación del proceso de soldadura. Antes de la evaluación del proceso de soldadura, un prueba de grietas debe realizarse en la muestra para determinar la temperatura de precalentamiento, que no debe ser inferior a la temperatura de precalentamiento durante todo el proceso de soldadura.
Al mismo tiempo, debe controlarse que la temperatura entre capas no sea inferior a la temperatura de precalentamiento. Las medidas de postcalentamiento deben tomarse inmediatamente después de la soldadura.
Cada lámina de acero Cr-Mo utilizada para la carcasa debe someterse a pruebas ultrasónicas.
Para los recipientes de reacción de alta temperatura, alta presión y paredes gruesas, después de la inspección radiográfica 100% de las juntas a tope, deben realizarse pruebas ultrasónicas y pruebas adicionales de partículas magnéticas en juntas de soldadura admisible para la prueba ultrasónica tras el tratamiento térmico y la prueba hidrostática.
La prueba ultrasónica es más sensible a las grietas y defectos que la prueba radiográfica, por lo que debe realizarse con atención, teniendo en cuenta el calendario de pruebas no destructivas.
Durante el proceso de fabricación del recipiente, el gas hidrógeno puede infiltrarse en el metal, provocando pequeñas grietas en el acero, fenómeno conocido como fragilización por hidrógeno.
Para evitar la fragilización por hidrógeno, debe realizarse rápidamente un tratamiento de deshidrogenación posterior a la soldadura.
El tratamiento de deshidrogenación consiste en calentar la soldadura y el material de base adyacente a una temperatura elevada inmediatamente después de la soldadura, aumentando así el coeficiente de difusión del hidrógeno en el acero.
Esto favorece la salida de átomos de hidrógeno sobresaturados en el metal de soldadura, inhibiendo así la aparición de grietas frías. El tratamiento de deshidrogenación puede considerarse innecesario si el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) se lleva a cabo inmediatamente después de la soldadura.
Los recipientes de cualquier espesor fabricados con Cr-Mo deben someterse a un tratamiento térmico general posterior a la soldadura. El tratamiento térmico posterior a la soldadura del acero al Cr-Mo no sólo elimina tensión residual sino que también mejora las propiedades mecánicas del acero, lo que resulta ventajoso para resistir la corrosión por hidrógeno.
El acero al Cr-Mo puede sucumbir a un fallo por fragilidad cuando su temperatura de funcionamiento es baja o cercana a la temperatura de transición de dúctil a frágil y la tensión alcanza un determinado nivel.
Sin embargo, este tipo de fallo es casi evitable cuando la tensión real en el recipiente es inferior a una quinta parte del límite elástico de acero Cr-Mo.
Por lo tanto, para los recipientes a presión fabricados con acero al Cr-Mo, debe adoptarse un procedimiento de aumento de la temperatura antes de la presión durante la puesta en marcha y de reducción de la presión antes de la temperatura durante la parada para evitar el fallo por fragilidad.
Aplicación de la norma internacional sobre materiales de acero al cromo-molibdeno
Debido a las discrepancias en la determinación del factor de seguridad y los métodos de cálculo entre las normas nacionales e internacionales para la tensión admisible del material, cuando se utilizan materiales de acero Cr-Mo de las normas internacionales, se deben aplicar las normas nacionales para el cálculo de la tensión admisible.
Tomando SA387Cr.11G1.2 como ejemplo, el cálculo de su tensión admisible es el siguiente:
En primer lugar, obtener la resistencia a la tracción y límite elástico a varias temperaturas para el material de ASME.
La tensión admisible a temperatura ambiente es el valor más pequeño entre la resistencia a la tracción a temperatura ambiente dividida por 3,0 y el límite elástico dividido por 1,5.
Dado que no existen datos nacionales sobre la resistencia a la tracción a altas temperaturas, la tensión admisible a altas temperaturas se obtiene dividiendo el límite elástico a altas temperaturas por 1,6.
Si el valor calculado es mayor que la tensión admisible a temperatura ambiente, adopte el valor a temperatura ambiente. En caso contrario, utilice el valor calculado.
La tensión admisible de este material en ASME revela que cuando la temperatura supera los 450℃, la tensión admisible desciende rápidamente, momento en el que el límite de fluencia rige la tensión admisible.
Dado que ASME no proporciona datos sobre el límite de fluencia por encima de 450℃, y los factores de seguridad para el límite de fluencia tanto en las normas nacionales como en ASME son coherentes, adoptamos directamente la tensión admisible de ASME. La tensión específica admisible a la temperatura de diseño puede obtenerse mediante interpolación.
En este artículo se describen algunos requisitos específicos de los materiales de acero Cr-Mo. En el trabajo de diseño detallado, es necesario considerar todos los aspectos de acuerdo con las especificaciones estándar, llevar a cabo un análisis exhaustivo, a fin de lograr un diseño seguro, económico y racional.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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