Tema 5 ¿Qué materiales utilizar para tuberías de plantas de procesos?

## **¿Qué materiales utilizar para tuberías de plantas de procesos?**

Cuando un ingeniero tiene que seleccionar los  materiales a utilizar en cualquier proceso se debe tener en cuenta ciertos factores como especificar la tubería motriz  para plantas de procesos o plantas de petroquímicos. Sin embargo, la selección de materiales para la tubería de proceso no es simple como esto podría sugerir, los aceros inoxidables férricos de cromo (serie 400) y los aceros inoxidables austeníticos de cromo-níquel (serie 300), son solo los que se han utilizado con éxito, es de resaltar que La tubería es el elemento de construcción más grande, que representa aproximadamente 15% del costo de los equipos y materiales. Aunado a esto el Código para Tuberías a Presión (ASA 83 1) 'brinda los requisitos de ingeniería para el diseño y la construcción de sistemas de tuberías seguras. En cuanto a materiales relacionados más usados por ingenieros en tuberías el acero al carbono es el material de tubería más común y  relativamente económico, una de sus grandes ventajas es cuan cerca se encuentra de ser infalible, la mayoría de las veces. Para las especificaciones en cuanto a selección se trata hay muchas especificaciones de acero en realidad cubren un amplio rango de propiedades porque solo se dan límites máximos de análisis y propiedades mínimas, los valores de especificación  máximos o mínimos son solo eso, Por lo general, se obtiene una tubería razonablemente cercana al valor de la especificación.

**Fracaso frágil**

Por debajo de la temperatura limite, La tubería de acero es sensible a la muesca y puede agrietarse a una tensión
inferior a la del límite elástico con poca o ninguna deformación o absorción de
energía. Por lo tanto, no se debe usar ninguna tubería de acero carbón a temperaturas tan bajas como 0 ° F a menos que el servicio no sea completamente peligroso o tenga evidencia específica de que un lote particular de tubería es
resistente a fallas frágiles a la temperatura de servicio. La tubería de acero de Bessemer es perfectamente satisfactoria para muchas aplicaciones, pero no la
use en lugares donde se encuentre falla frágil, el acero Bessemer contiene más
fósforo y probablemente

más nitrógeno, Esto aumenta la tendencia a la fractura
frágil aun a temperatura ambiente y a temperaturas más bajas. Muchas tuberías
de acero también están sujeta a fallas quebradizas por  temperaturas del ambiente o incluso más altas,
esto se Puede ver  fácilmente si se trata
de doblar la tubería de acero inoxidable hecha a especificaciones bien reconocidas. *Fig. 1 Fractura frágil de*
tubos de acero.

**Resistencia eléctrica soldada**

Esto tiene propiedades más consistentes que
la tubería de acero habitual. En la condición normalizada habitual, tiene una
resistencia mínima de 40,000 psi, un límite elástico mínimo de 30,000 psi y un
alargamiento mínimo de 40 por ciento en dos pulgadas. Las fuerzas de impacto de
baja temperatura han sido buenas, aunque no garantizadas, hasta -50 ° F. La
combinación de bajo contenido de carbono y alto índice de manganeso  aumenta la resistencia al agrietamiento y la
fractura frágil, pero aún proporciona un control adecuado de las propiedades
mecánicas.

**Tubo centrífugo de carbón**

A medida que aumenta el grosor de la pared,
tanto la tubería sin costura como la soldada se vuelven cada vez más difíciles  para fabricar. Sin embargo, para los casos
donde se necesita una tubería más pesada la moderna tubería de acero fundido
centrífugo es un producto común, ya que el tratamiento térmico simple
desarrolla una estructura metalúrgica adecuada. A pesar de que la tubería está
fundida en longitudes más cortas de las que se podría estar acostumbrado, estas
se pueden soldar a tope en las longitudes que se desee.

**Ataque de Hidrógeno**
a altas temperaturas

A medida que la temperatura del servicio aumenta por encima de la atmosférica, la probabilidad de fractura frágil disminuye, por lo que el acero al carbono puede ser el mejor material para usar. Tenemos que tener en cuenta que la tubería seleccionada debe resistir el deterioro del proceso, y no debe creerse que el deterioro significa solo corrosión,  las presiones o temperaturas operativas aumentan más de lo esperado. Si lo hacen, la tubería de salida del reactor, en particular, podría estar sujeta a un ataque de hidrógeno.

Al elegir el acero adecuado para soportar la mayoría de las condiciones del proceso, especialmente a presiones parciales altas en hidrógeno. Pero, aunque estas curvas están bastante bien establecidas, No se debe seleccionar ni siquiera un acero de baja aleación cuya curva de resistencia a la limitación esté demasiado cerca de las condiciones de operación, las adiciones de molibdeno mejoran la resistencia a temperaturas elevadas y la resistencia al ataque de hidrógeno, su función principal es retardar la fragilización por temple de aceros bajos e intermedios de cromo (hasta 10 por ciento de cromo) durante una exposición prolongada al proceso.

Algunos ingenieros consideran que los aceros inoxidables austeníticos son tan resistentes al ataque de hidrógeno que no se requieren precauciones. Los aceros inoxidables resisten el ataque de hidrógeno a altas temperaturas, sin embargo es un error seleccionarlos creyendo que el Hidrógeno no los atravesara.

*Fig. 2 La Superficie interior de la unión en tubería de acero con hidrógeno a alta temperatura, lento por*
ataque ácido profundo, se debe tener en cuenta que solo se atacan partes de la
circunferencia.

**Corrosión**  En las refinerías de petróleo, las corrientes de proceso que contienen hidrógeno frecuentemente también contienen sulfuro de hidrógeno que puede causar la corrosión, sin embargo,  al aumentar el contenido de cromo de un acero, aumenta su resistencia a la corrosión,  esta mayor resistencia a la corrosión del sulfuro depende de la formación de una escala protectora, con tales escalas, la tasa de corrosión es parabólica; es decir, disminuye con el tiempo de exposición, si la operación es limpia, como suele ocurrir cuando hay hidrógeno presente, el producto de corrosión con sulfuro de hierro no es protector y en estas condiciones, la velocidad de corrosión es lineal y no disminuye con el tiempo. El acero al carbono y el 9% de acero al cromo se corroen sustancialmente a la misma velocidad y un 5%  de acero al cromo se puede corroer incluso más rápido que los otros dos. Así que no elija un contenido de cromo más alto de lo que necesita para resistir el ataque de hidrógeno.  Además, no se recomienda tubos de acero  con bajo contenido de cromo a menos que se esté

dispuesto a pagar por una soldadura más cuidadosa y tratamientos térmicos posteriores a la soldadura.

*Fig. 3 efecto de el contenido cromo en varias tasas de corrosión por sulfuro.*

Sin embargo, se cree que el metal de soldadura de acero al carbono debería ser igualmente satisfactorio, y  luego, un tratamiento térmico posterior a la soldadura podría no ser necesario es evidente que dichas uniones deben estar en una zona de proceso donde el acero al carbono es aceptable. Con frecuencia, los mismos ingenieros que insisten en el tratamiento térmico posterior a la soldadura con acero al carbono o metales de soldadura de baja aleación están dispuestos a omitir el tratamiento térmico posterior a la soldadura si un electrodo de acero inoxidable austenítico, particularmente Tipo 309 (25-Cr, 12
-Ni) fueran utilizados, irónicamente, el razonamiento de que la zona endurecida y termo afectada del acero 5-Cr tendrá un metal de soldadura dúctil.

En cuanto a los recubrimientos de aluminio resisten bien la corrosión sulfúrica, pero no debe esperarse que sean perfectos ni debe mantenerse a menos que hayan reaccionado con el acero base para formar una capa de aleación de hierro y aluminio. Esta reacción de aleación requiere la fusión del aluminio, pero no se debe ir demasiado lejos por encima del punto de fusión o el producto de reacción frágil se vuelve excesivamente grueso y tiende a desconcharse. Además, no se puede estar demasiado ocupado con una tubería revestida de aluminio si la superficie aluminizada debe soldarse; la soldadura probablemente fragilizará y puede agrietarse. Además, si se utilizan soldaduras a tope para uniones de tubería, un metal de baja aleación de cromo molibdeno será

susceptible a la corrosión, una alternativa es usar metal de soldadura austenítico de acero inoxidable, otra es usar anillos de refuerzo revestidos de aluminio para
proteger la raíz de la soldadura contra la corrosión.

*Fig. 4 El anillo de refuerzo aluminizado en el tubo está en el lado aguas arriba.*

Los aceros sin alma están bien publicitados y pueden verse muy bien en ensayos de campo de corta duración o en pruebas de laboratorio que han sido más exitosos a temperaturas de funcionamiento más bajas o más altas que la mayoría de las refinerías de petróleo. Una tubería de acero inoxidable con un contenido de hierro de cromo de 11 a 13 por ciento (Tipo 410) no es una gran mejora con respecto al acero 9-Cr, l-Mo, solo tiene resistencia a la corrosión en la línea de borde. Las soldaduras Tlpe 410 también se endurecen al aire y requieren un tratamiento térmico posterior a la soldadura. No se debe poner esta aleación, o cualquiera de las aleaciones inferiores, en servicio si la dureza está por encima de Rockwell C22. La calidad que contiene  el aluminio (Tipo 405) es completamente férrica hasta el punto de fusión, por lo que no se endurece al soldar. Sin embargo, desarrolla granos extremadamente gruesos adyacentes a la línea de fusión, lo que aumenta la ductilidad. No se debe usar aceros inoxidables ferríticos que contengan más del 16%  de cromo en la zona de temperatura de 7500 F a 1,0000 F ya que, incrustablemente son frágiles debido a la precipitación de un componente rico en cromo, incluso
el 11-13% de aleación de cromo a veces parece ser frágil de esta manera, por
razones no claras, desafortunadamente, esta es una zona de temperatura común
para muchos procesos de refinerías y plantas químicas. Además, se debe evitar el uso de  estos aceros inoxidables ferríticos por encima de 1,0000 F, porque serán frágiles por una razón algo diferente, debido a la formación de un compuesto intermetálico de hierro-cromo denominado fase sigma. Los aceros inoxidables austeníticos resisten la oxidación por corrientes de proceso que contienen oxígeno o que contienen azufre. Pero, NO espere que la tubería austenítica de acero inoxidable sea infalible simplemente porque tiene resistencia a la corrosión.

**CORROSIÓN BAJO TENSIÓN**

Los problemas más grandes con la tubería de acero inoxidable  generalmente surgen cuando la unidad está fuera de la corriente en vez de cuando está funcionando, bajo ciertas condiciones, pueden hacer que cualquier tubería austenítica de acero inoxidable se agriete transgranularmente. Los aceros inoxidables de cromo liso no se agrietan en las soluciones de cloruro, pero generalmente son lo suficientemente malos como para que solo sean moderadamente satisfactorios. Estrictamente hablando, no se producirá agrietamiento por corrosión por cloruros a menos que exista contacto con una solución acuosa de concentración adecuada de cloruro, una temperatura favorable y tensión o tensión residual. Sin embargo, no se debe confiar por una sensación de seguridad poco realista debido a que estos requisitos pueden cumplirse de manera bastante imprudente.Por ejemplo, la pequeña cantidad de cloruros en la mayoría de los aislantes de tuberías externos se puede lixiviar por exposición al clima y concentrarse en la pared de la tubería. La temperatura puede ser difícil de medir, permita un control, especialmente durante el arranque o el apagado cuando existan gradientes, y los esfuerzos residuales usualmente está presentes en un material de resistencia a la fluencia relativamente bajo como el tubo de acero inoxidable recocido. Una tubería golpeada en un envío,  que se haya salido o se haya doblado en frío en un accesorio, puede tener

todo el estrés necesario, de hecho, la contracción de soldadura circunferencial sola, particularmente en tuberías de pared gruesa, puede crear tensiones de flexión complejas en la junta. Los tratamientos térmicos posteriores a la soldadura deberían aliviar muchas de estas tensiones, pero, si hay mucha restricción, la refrigeración posterior puede introducir tensiones perjudiciales.

*Fig. 5 Grietas en acero inoxidable*

Los tipos químicamente estabilizados (que contienen columinio-tantaol o titanio) son excelentes si se produce precipitación de carburo durante la soldadura y si el servicio posterior es cercano a la temperatura atmosférica (al menos por debajo de 7000 F). Luego, solo se precipitan los carburos de columbio, tántalo o titanio distribuidos aleatoriamente durante el enfriamiento. Sin embargo, si el servicio se encuentra entre 8000 F y 1,0000 F durante largos períodos de tiempo, el carbono que queda en solución, incluso después de que los carburos estabilizados se forman durante el enfriamiento posterior a la soldadura, precipita convencionalmente como carburo de cromo en los límites de grano. Aquí nuevamente, si hay suficiente precipitación en algún momento, una ubicación, y si estas partículas de límite de grano están espaciadas adecuadamente, aún puede haber sensibilización. Los aceros inoxidables de níquel superior ofrecen alguna esperanza, sin embargo, estas aleaciones son caras y es posible que no tengan una resistencia adecuada al agrietamiento por corrosión bajo tensión o a la corrosión sulfúrica si las condiciones son severas, no existe una forma segura de prevenir el agrietamiento por tensión transgranular (cloruro) y la única solución real para el agrietamiento por tensión intergranular (ácido politiónico) es tratar térmicamente la tubería, incluidas las soldaduras, para precipitar la mayor cantidad de carbono de forma estabilizada, forma no sensibilizante como sea posible antes del servicio. Incluso entonces, no se debe olvidar advertir a los operadores para que abran el equipo lo menos posible, para dejarlo abierto el menor tiempo posible, y para mantenerlo seco y cubierto con gas inerte o inundado con una solución alcalina cuando está fuera de la corriente.