¿Es la barra de acero al carbono un material adecuado para componentes de recipientes a presión?

La resistencia a la tracción y al rendimiento del material cumple con la sección II, parte D, de la norma ASME BPVC.

En cuanto a los recipientes a presión, las barras de acero al carbono deben cumplir ciertos requisitos establecidos en el Código ASME para Calderas y Recipientes a Presión, en particular la Sección II, Parte D, que especifica las propiedades mecánicas de los componentes sometidos a presión. En cuanto a la resistencia al límite elástico, se exige un valor mínimo de 205 MPa, aproximadamente 30 000 psi. Por su parte, la resistencia a la tracción es menos constante y puede variar entre 380 y 485 MPa (aproximadamente entre 55 000 y 70 000 psi), dependiendo del grado y de la temperatura de operación. La barra de acero al carbono ASTM A36 se cita expresamente en las normas para aplicaciones en las que la presión no supere los 300 psi. Dichas barras cumplen con las normas correspondientes y ofrecen, además, una buena relación resistencia-peso. Otra propiedad importante es el alargamiento: si este supera el 20 %, el material posee suficiente flexibilidad para soportar sobrepresiones sin fallar. Mantener la dureza por debajo de 200 HB también contribuye a prevenir fracturas por pérdida de ductilidad, lo cual constituye un problema de seguridad de gran importancia.

Resistencia de referencia según especificaciones: Comparación entre la norma ASTM A516 Grado 70 y los requisitos para servicio a baja temperatura

Teniendo en cuenta la naturaleza del acero al carbono y su temperatura de transición de dúctil a frágil, en grados, la tenacidad al impacto se convierte en un factor crítico a considerar. Tomemos como ejemplo el acero ASTM A516 Grado 70, un material frecuentemente utilizado para placas soldadas de recipientes a presión. El acero A515 Grado 70 solo requiere una energía de impacto de 20 J en la prueba de Charpy V con entalla a aproximadamente −30 °C. Este requisito resulta adecuado para aplicaciones con agua refrigerada; sin embargo, es insuficiente para aplicaciones que implican temperaturas de aproximadamente −45 °C a −49 °C. Curiosamente, al analizar los datos de la Sección VIII del código ASME y los relacionados con la mecánica de la fractura, se observa que el acero al carbono tiende a comportarse peor que el acero inoxidable austenítico, con una diferencia aproximada del 40 al 50 % menos. En la práctica, esto significa que los oleoductos árticos y las instalaciones de almacenamiento de GNL exigen un rendimiento mínimo de 40 J. En este caso, los ingenieros generalmente no tienen otra alternativa más que utilizar aleaciones de níquel del tipo especificado en la norma ASTM A352 LCB/LCC o aplicar algún tipo de tratamiento especial de alivio de tensiones tras la construcción. Esto se debe al hecho de que las barras estándar de acero al carbono carecen por completo de esta capacidad inherente.

De recipientes a presión, fabricación y calidades de barras de acero al carbono aprobadas por ASTM

Recipientes a presión soldados de acero al carbono: elementos de sujeción y accesorios fabricados con acero A516-70

El acero A516-70 posee todas las propiedades adecuadas, ya que su límite elástico inicial es de aproximadamente 260 MPa (38 ksi). Presenta buena soldabilidad y una tenacidad fiable en la soldadura a través del espesor a temperaturas de servicio moderadas, además de tener un contenido adecuado de carbono (menos del 0,27 %). Esto resulta útil para prevenir la formación de grietas en la zona afectada térmicamente (ZAT). No obstante, debe señalarse que la norma ASTM A516 abarca únicamente chapas y no barras. La sustitución por barras de acero al carbono sería no conforme, a menos que se especifique explícitamente una calidad equivalente de barra. En cuanto a las barras utilizadas en aplicaciones que retienen presión, existen otras normas ASTM que regulan los requisitos de equilibrio mecánico y químico.

Cuándo evitar el uso de barras ASTM A106 y A29 en aplicaciones estructurales y cilíndricas

Aunque los tubos sin costura ASTM A106 pueden ser bastante eficaces para los componentes cilíndricos de alta temperatura que se encuentran en boquillas y productos similares, la pobre y poco consistente estructura química del producto, así como la ausencia de ensayos de impacto exigidos, significan que simplemente no puede utilizarse para sustituir las barras estructurales en aplicaciones primarias de contención de presión. Considérese, por ejemplo, la calificación A29 grado 1045. Esta calificación está destinada a aplicaciones estructurales típicas, pero carece de una resistencia al límite elástico mínima definida; como consecuencia, podría presentar potencialmente una resistencia al límite elástico muy baja en la región dúctil, lo que provocaría un fallo estructural en el momento menos oportuno. Estas dos especificaciones tampoco cumplen con los requisitos de composición química, ensayos de impacto y documentación establecidos en la Sección VIII del Código ASME BPVC. Por lo tanto, en el caso de componentes no cilíndricos de contención de presión, deben emplearse barras de acero al carbono ASTM A696. Estas barras cuentan con requisitos más exigentes en cuanto a composición química, resistencia comprobada al impacto y resultados de ensayos que demuestran su idoneidad para fabricar los accesorios necesarios, tan importantes en nuestro entorno.

Comportamiento frente a la corrosión y restricciones ambientales para barras de acero al carbono

Vulnerabilidad a la fisuración por H₂S húmedo, picaduras por cloruros y estrategias de mitigación

Los recipientes a presión que contienen sulfuro de hidrógeno húmedo (H₂S) y cloruros son extremadamente dañinos para las barras de acero al carbono y provocan una rápida deterioración del metal. Durante su funcionamiento, el acero se vuelve propenso a un fenómeno denominado agrietamiento por tensión en presencia de sulfuros. Durante este agrietamiento, el hidrógeno (H) se absorbe en el metal y en la estructura del acero. Este problema se acentúa aún más con el aumento de la dureza del acero (superior a 22 HRC en la escala de dureza Rockwell). La presencia de cloruros genera celdas electroquímicas (o pequeñas zonas de corrosión por picaduras) en la superficie y puntos de concentración de tensiones, lo que incrementa significativamente la velocidad de propagación de las grietas. Por esta razón, los ingenieros deben seleccionar materiales cuya dureza sea inferior al valor de 22 HRC establecido en las normas NACE MR0175 e ISO 15156. Asimismo, deben aplicarse recubrimientos protectores (por ejemplo, aluminio proyectado térmicamente y epoxi). También debe considerarse la instalación de sistemas de protección catódica. Los sistemas de control diseñados para eliminar el H₂S, reducir los niveles de pH y utilizar inhibidores de corrosión constituyen todos ellos medios para controlar el entorno. Desde el punto de vista del diseño, la eliminación de «ramas muertas» y espacios donde pueda acumularse agua es una práctica habitual para prevenir fallos debidos a la corrosión.

Reducción del contenido de carbono en barras de acero al carbono y su efecto en la soldabilidad, fabricación y tratamiento térmico posterior a la soldadura

¿Cómo afecta la reducción de carbono y su impacto en la zona afectada térmicamente (ZAT) y los requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (TTPS)?

Al integrar el acero al carbono con otros elementos para la construcción de recipientes a presión, el nivel de carbono (C) es fundamental para definir la facilidad de soldadura. Cuando el contenido de C supera el 0,25 %, aumenta el riesgo de que la zona afectada térmicamente (ZAT) desarrolle propiedades indeseables, lo que hace que dicha zona sea susceptible a grietas frías tras la soldadura. Mantener un contenido de carbono inferior al 0,25 % es generalmente favorable para la soldadura, ya que permite una mayor estabilidad del arco, una reducción en los requisitos de precalentamiento y una mayor flexibilidad respecto a las calificaciones del procedimiento de soldadura. Según la norma ASME BPVC Sección VIII División 1, si cualquier sección tiene un espesor igual o superior a 38 mm, es obligatorio realizar un Tratamiento Térmico Posterior a la Soldadura (TTPO). Este tratamiento tiene como finalidad eliminar las tensiones residuales inducidas durante el proceso de soldadura y recuperar un nivel de ductilidad necesario en componentes sometidos a cargas cíclicas o en componentes destinados a funcionar en condiciones de alta integridad. El TTPO típico se lleva a cabo calentando la pieza hasta una temperatura objetivo de 600 a 700 °C durante 1 hora por cada 25 mm de espesor de la probeta; asimismo, es obligatorio aplicar un precalentamiento previo al TTPO para evitar choques térmicos.

Seguir correctamente estos pasos garantiza que todo permanezca dimensionalmente estable y que la estructura siga siendo fiable con el paso del tiempo, sin afectar significativamente la tasa de producción.

¿Cuál es la resistencia mínima al fluencia de las barras de acero al carbono utilizadas en recipientes a presión?

La resistencia mínima al fluencia requerida es de 205 MPa o 30 000 PSI.

¿Por qué el acero al carbono ASTM A516 Grado 70 es el material preferido para las piezas soldadas de recipientes de acero al carbono?

Debido a su equilibrado conjunto de propiedades, que incluye una resistencia mínima al fluencia de aproximadamente 260 MPa, buena soldabilidad y buena tenacidad.

¿Cuáles son los efectos de la temperatura sobre la resistencia al impacto del acero al carbono?

Las bajas temperaturas reducen la resistencia al impacto del acero al carbono, haciendo que su comportamiento sea peor que el de los aceros inoxidables austeníticos.

¿Cuáles son los métodos para controlar la corrosión en las barras de acero al carbono?

Utilizar materiales con dureza inferior a 22 HRC, recubrimientos protectores, protección catódica y un entorno controlado.

¿Cuál es la importancia del contenido de carbono en la soldadura de barras de acero al carbono?

Si el contenido de carbono se mantiene por debajo del 0,25 %, favorecerá un arco estable durante la soldadura, reducirá la necesidad de precalentamiento y el acero será menos propenso a la fisuración en frío.