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Transcripción

1 Información Técnica Aceros Dúplex En 1986 la Estatua de la Libertad fue remozada y reparada totalmente. Su constante exposición a la atmósfera marina durante años, había cobrado su precio. Se colocaron elementos estructurales, para soportar su brazo en alto, hechos de un material metálico que combina una alta resistencia a la corrosión, con una gran resistencia mecánica. El material seleccionado es un acero dúplex conocido por su nombre registrado FERRALlUM. Introducción La denominación DUPLEX se aplica a un tipo de acero inoxidable, cuya composición química ha sido cuidadosamente ajustada para lograr una estructura cristalina mixta, de aproximadamente mitad de fase ferrita y mitad de fase austenita. Esto se logra incorporando a un acero ferrítico, una cantidad pequeña y controlada de níquel(a veces Mn y N). La aleación resultante presenta características mecánicas muy superiores a la de un acero inoxidable austenítico, permitiendo el uso de menores espesores, con el consiguiente ahorro de material y menor costo. A esto se suma una muy buena resistencia a la corrosión uniforme y localizada, como corrosión por picaduras (pitting), corrosión en grietas (crevice) y corrosión bajo tensión o cracking (SCC), en los casos más críticos de altas concentraciones de cloruro, presencia de fuertes agentes reductores y presencia de sulfuro de hidrógeno. También poseen buena soldabilidad, si se utiliza la técnica adecuada. La familia de los aceros inoxidables DUPLEX se puede dividir en tres grandes categorías: aceros dúplex sin molibdeno, aceros dúplex 22Cr(con 22% de cromo) y aceros dúplex 25Cr(con 25% de cromo). Los dúplex 22Cr han sido utilizados desde 1970 en las plataformas marinas, en la industria del petróleo. Desde fines de la década del 80 los dúplex 25Cr (llamados superdúplex), de mayor resistencia mecánica, se han ido introduciendo gradualmente en ese campo. La principal razón para evolucionar hacia los aceros dúplex es el costo. Su menor porcentaje de níquel (un elemento caro) y una mayor resistencia mecánica, que permiten ahorrar hasta un 25% en peso, reducen el costo de una instalación. Otra razón es su superior resistencia a la corrosión localizada. Av. del Pinar 240 Of. 804, Santiago de Surco, Lima Perú T. + (511) ventas@fastpack.com.pe proyectos@fastpack.com.pe

2 2 Dúplex Composición % y propiedades mecánicas Nombre UNS Cr Ni Mo N C Mn P S Si Fe W Cu Y** S** AISI 329 S * 2* 0.04* 0.03* 1* bal RE60 S * * 0.03* 1.7 bal S * 0.04* -- bal S bal S * 0.035* 0.02* 0.8* bal Ferralium- 255 S * * bal Zeron 100 S * 1.0* 0.03* 0.01* 1.0* bal Mo Plus S * 2.00* 0.035* bal * : valores máximos; Y: límite elástico ; S: tensión de ruptura ; ** : ksi Las propiedades de los aceros dúplex son muy sensibles a variaciones en la composición química especialmente de cromo, molibdeno, níquel y nitrógeno. El molibdeno y el nitrógeno son importantes en determinar la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas, mientras que el níquel es fundamental para mantener el equilibrio ferrita/austenita de la aleación. Tal es así que el 2205(S31803), que inicialmente apareció con 22%Cr y 3%Mo y luego fue disminuyendo hasta los valores límite permitidos(perdiendo en propiedades), fue reemplazado por el 2205(S32205) con un mínimo de 22%Cr y 3%Mo subiendo también el valor mínimo de nitrógeno de 0.08%N a 0.14%N, por necesidad de los usuarios. Descripción Los aceros dúplex tienen hoy unos 60 años. Los primeros tipos como AISI 329 presentaban poca soldabilidad. El popular 3RE60 un dúplex de las primeras generaciones, usado en las refinerías de petróleo, ha sido reemplazado por el S31803(2205 ) con mayor soldabilidad y resistencia a la corrosión, por sus mayores niveles de cromo y nitrógeno Dúplex 2304 Pertenece al grupo de aceros dúplex sin Mo, de alta resistencia mecánica (S= 91 ksi) y dureza ( 230 Brinell), perfectamente equilibrado en su composición para lograr aproximadamente 50% de fase ferrita y 50% de fase austenita. La austenita es estable y se restituye espontáneamente en la zona afectada por el calor en una soldadura. Combina las propiedades de los aceros ferríticos y austeníticos. El alto contenido de cromo le confiere una gran re-

3 sistencia a la corrosión por picaduras, por grietas y corrosión uniforme. Su microestructura dúplex garantizan una gran resistencia a la corrosión bajo tensión. Se utiliza tanto recocido como templado ( ºC). Puede ser trabajado (formado) en frío, al igual que los aceros austeníticos, pero con mayor esfuerzo debido a su mayor límite elástico (Y=60 ksi). El trabajo en frío produce un endurecimiento de la aleación. También puede ser trabajado en caliente ( ºC) seguido por un recocido y templado. Durante su uso, no debe ser expuesto a temperaturas sobre 300ºC por períodos largos de tiempo. Tiene buena soldabilidad sin requerir tratamiento térmico después de la soldadura. Como electrodo puede usarse tanto 2304 como Corrosión uniforme La resistencia a la corrosión uniforme, en ácido sulfúrico, descrita habitualmente por las curvas de isocorrosión a 0.1 mm/año, es para el acero 2304 superior al acero 316 tal como se indica en la figura. Corrosión por picadura La resistencia a la corrosión por picadura se expresa por la temperatura crítica (CPT) a la cual y sobre la cual se producen picaduras y por el número PREN (pitting resistance equivalent number). Esta depende del contenido de cromo, molibdeno y nitrógeno. La figura adjunta a la derecha muestra el comportamiento de varios materiales frente a una disolución de cloruro de sodio 58.5 g/l. El 2304 tiene un CPT comparable al del 316L e inferior al Su valor de PREN es 26, similar al 316L, lo que está por debajo de 34 el límite inferior de PREN necesario para resistir agua de mar a temperatura ambiente. Corrosión bajo tensión El cloruro puede producir corrosión bajo tensión especialmente a alta temperatura en los aceros inoxidables austeníticos. El acero 2304 por su estructura dúplex, es mucho más resistente a este tipo de ataque. Las pruebas de laboratorio someten la muestra de material mantenida a 100ºC y tensionada, a un constante goteo y evaporación de una disolución de cloruro de sodio. Aquél valor de tensión(l) que produce una falla del material a las 500 horas se registra y expresa como un porcentaje de la tensión de ruptura a 200ºC del acero. En estas pruebas el 2304 resulta muy superior al acero 304 (L=7%), al acero 316 (L=9%) y del mismo orden que el 2205 (L=41%). Corrosión intergranular El bajísino contenido de carbono evita la precipitación de carburos y nitruros de cromo, en los límites de grano, al ser calentado durante la soldadura (fenómeno responsable de la corrosión intergranular). Después de la soldadura, la austenita se restituye espontáneamente manteniéndose el equilibrio de la aleación.

4 Dúplex 2205 Pertenece al grupo de los aceros dúplex 22Cr con un 3% de molibdeno y un 0.17% de nitrógeno. El contenido de cromo, níquel y molibdeno le confiere una gran resistencia a la corrrosión uniforme y corrosión por picadura y grietas, en ambientes de cloruro, con un número PREN = 35,8. Muy superior a un 316 o 317. También presenta una gran resistencia a la corrosión bajo tensión en ambientes de súlfuro de hidrógeno. El contenido de nitrógeno mejora la resistencia a la corrosión de las soldaduras, no siendo necesario el tratamiento térmico después de soldar. Su resistencia mecánica (S=90 ksi) es aproximadamente el doble de la de un acero inoxidable austenítico, lo que permite utilizar menores espesores y economizar en material. Posee una buena soldabilidad y mayor dureza (247 Brinell). Se puede utilizar las mismas técnicas de soldadura de los aceros austeníticos (SMAW, TIG, MIG, plasma) pero con ciertas precauciones como: no precalentar la pieza, dejar enfriar por debajo de 150ºC antre cada pasada, ajustar la energía aplicada al rango kj/mm para mentener el equilibrio ferrita/austenita de la aleación. Puede ser formado en caliente( ºc). Estando expuesto a ºC forma fase sigma, de ºC precipitan carburos y de ºC se vuelve quebradizo. Después de formado en caliente debe ser sometido a un recocido ( ºC) y templado. También puede ser trabajado en frío, pero con mayor dificultad que un acero austenítico por su mayor límite elástico. Si una deformación en frío excede el 10% se recomienda un recocido. Se puede aplicar un tratamiento térmico para liberar tensiones en el rango ºC. Como acero dúplex es relativamente más fácil de maquinar con herramientas de acero rápido que con herramientas de carburo cementado en relación a un acero inoxidable austenítico de similar contenido de aleación. Corrosión uniforme Es resistente a ácidos reductores diluidos (ác.sulfúrico) y a ácidos oxidantes en concentración media a alta. Resiste ácidos orgánicos diluidos pero a mayores concentraciones y altas temperaturas se debe tener precaución. Disolución a ebullición Velocidad corrosión mm/año base sold. base sold. ac.acético 20% <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 ac.fórmico 45% ac.clorhídrico 1% ac.nítrico 65% ac.oxálico 10% ac.fosfórico 20% bisulfato sódico 10% hidróxido sódico 50% ácido sulfámico 10% ac.sulfúrico 10% Corrosión bajo tensión Mientras los aceros inoxidables ferríticos son prácticamente inmunes al cracking causado por cloruros, los aceros inoxidables austeníticos que contienen níquel son muy susceptibles a este tipo de corrosión. Los aceros dúplex se comportan en forma intermedia. Es la fase ferrita en el 2205 que contiene menor cantidad de níquel que la fase austenítica, la que le confiere la resistencia a la corrosión bajo tensión por cloruro, siendo substancialmente superior a la serie 300 de los inoxidables austeníticos. Por ejemplo con una disolución de cloruro de litio 33% a ebullición el 304L falló a las 96 Hrs, el 439 pasó las 2000 hrs y el 2205 pasó las 1000 hrs

5 Corrosión intergranular Por su bajo contenido de carbono el riesgo de precipitación de carburos y nitruros de cromo es mínimo por lo que tiene una gran resistencia a la corrosión intergranular. La composición de la aleación asegura que la austenita se restituye después de la soldadura. Un test (ASTM A262B) comparativo para corrosión intergranular da velocidades de corrosión de 1.16 mm/año para 316, 2.08 mm/año para el 3RE60 y sólo 0.52 mm/año para el Corrosión por picadura La resistencia a la corrosión por picaduras y por grietas aumenta al aumentar el contenido de cromo, molibdeno y nitrógeno del acero. En pruebas con cloruro de sodio 58.5 g/l la temperatura crítica de picadura es de 50ºC muy superior a los 26ºC del acero inoxidable 316. Dúplex 2507 Pertenece al grupo de los aceros dúplex 25Cr o superdúplex con un 4% de molibdeno y un 0.27% de nitrógeno. El mayor contenido de cromo, níquel y molibdeno le confiere una mayor resistencia a la corrrosión uniforme y corrosión por picadura y grietas, en ambientes de cloruro, con un número PREN = 42.5 superior al dúplex 2205, al 316 y 317. Su resistencia mecánica también es superior (S=108 ksi). Si es recocido( ºc) y templado la aleación contiene 30-50% de fase ferrita y el resto es austenita. Los aceros dúplex son más susceptibles a la precipitación de carburos, entre granos de la aleación, que los aceros austeníticos. Sometido a un calentamiento de ºC puede haber formación de fase sigma y en el rango ºC se puede tornar quebradizo. Sin embargo en las operaciones normales de soldadura y calentamiento la microestructura no forma ningún precipitado o fase que pueda producir fragilidad. Se puede formar en caliente ( ºC) seguido de un recocido y templado. Para el formado en frío se requiere más esfuerzo que para los aceros austeníticos normales. Si una deformación en frío excede el 10% se recomienda un recocido. Un recocido para disolución de precipitados se debe aplicar como mínimo a 1050ºC. Tiene buena soldabilidad con las técnicas SMAW, TIG, PAW, SAW. Como material de relleno debe usarse un metal que preserve la estructura dúplex Corrosión uniforme Tiene excelente resistencia a la corrosión por ácidos inorgánicos y ácidos orgánicos como ácido fórmico y ácido acético. En ácido sulfúrico diluido, contaminado con 2000 ppm de cloruro, el dúplex 2507 tiene mayor resistencia a la corrosión (hasta 20% de ácido) que el aceroo 904L especialmente diseñado para el ácido sulfúrico puro y es superior al acero 254SMO, hasta 17% de ácido, como se ilustra en la curva de isocorrosión a 0.1 mm/año adjunta.

6 Corrosión por picadura En pruebas con una disolución agresiva de 58.5 g/l de cloruro de sodio, la temperatura crítica de picadura CPT es para el acero 2507 de 90ºC(igual que para el acero 254SMO) superior a los 60ºC del 904L, 50ºC del 2205 y 18ºC del 316L. Esta mayor resistencia a las picaduras por cloruro se debe al mayor nivel de cromo, molibdeno y nitrógeno. Corrosión por grietas En pruebas con una disolución de cloruro férrico 10% la temperatura crítica de corrosión por grieta CCT es para el acero 2507 de 43ºC(igual que para el acero 254SMO) superior a los 25ºC del 2205, 18ºC del 904L y 0ºC del 316L Corrosión bajo tensión El cloruro puede producir corrosión bajo tensión especialmente a alta temperatura en los aceros inoxidables austeníticos. El acero 2507 por su estructura dúplex es mucho más resistente a este tipo de ataque que un acero austenítico. Las pruebas de laboratorio someten la muestra de material mantenida a 100ºC y tensionada, a un constante goteo y evaporación de una disolución de cloruro de sodio. Aquél valor de tensión (L) que produce una falla del material a las 500 horas se registra y expresa como un porcentaje de la tensión de ruptura a 200ºC del acero. En estas pruebas el 2507 resulta muy superior al acero 2205 (L=41%), al acero 316L (L=8%) y del mismo orden que el 904L (L=75%). Cracking por sulfuro La combinación de cloruro con sulfuro de hidrógeno es especialmente agresiva y conduce a corrosión bajo tensión o cracking en los aceros ferríticos y en cierto austeníticos. Este tipo de ambiente se encuentra en la producción de petróleo y gas natural. El acero dúplex 2507 tiene suficiente resistencia a este tipo de ataque si se cumplen ciertas condiciones: estado recocido hasta disolución, dureza por debajo de 32 HRC (Rockwell escala C), temperatura por debajo de 232ºC y presión de sulfuro de hidrógeno por debajo de 1.5 psi (100 mbar). Aplicaciones Tubos intercambiadores de calor -Evaporadores -Digestores -Cañería para agua -Calentadores de agua -Tanques para agua caliente -Contenedores de carga Tubos en plantas desalinizadoras -Intercambiadores de calor -Cañerías en industria de petróleo y gas -Tanques presurizados y cañerías en industria química -Estanques para transporte de químicos Plantas petroquímicas -Plantas desalinizadoras -Industria de petróleo y gas -Intercambiadores de calor -Estructuras en ambientes marinos -Equipos para purificación de gases de combustión -Sistemas de agua contra incendio en plataformas de perforación.