Aleaciones Cromo-Molibdeno

Aleac Al eacii o n es Cr Cro o m o -Mo -Moll i b d en eno o

México

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Aceros al Cromo-Molibdeno

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Bohle Boh lerr Sol Solda dadur duras as S.A S.A.. de C.V C.V..

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Foro de Sol Soldad dadura ura PEM PEMEX EX-RE -REFIN FINAC ACION ION I

Mayo May o 201 2012 2

Aceros al Cromo-Molibdeno

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INTRODUCCIÓN: • Los aceros CrMo CrMo muestran Resistencia esistenci a a la termof term oflu luenci encia a a elevada elevada temperatur temp eraturas as 585° 585°C C • Utiliza Utili zados dos ampliamente ampl iamente en la indus in dustri tria a Petroqu tro química. ímica. • Los incr i ncreme emento ntoss en la temperatura temperatura y presiones de

servicio servici o exigen exig en desarro desarrollllos os cada c ada d ía en en el metal base. base. • Se requieren requieren hoy h oy en día mayores mayores propiedade pro piedadess

mecáni mecánicas cas para reduc reducir ir el espesor espesor de pared pared

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Al A l g u n o s acer ac ero o s CrMo Cr Mo Resi Res i s t ent en t e a la l a ter t erm m o f l u enc en c i a, básicos y clásicos clásicos:: Con adici adi cion ones es de V, W, Ni, Ti, Ti, Nb, B y/o N: 0,5%Mo 1%Cr-0,5%Mo T/P 36 2,25%Cr-1%Mo 2,25%Cr-1%Mo (T/P 22) T/P 22V, 22V, 23 and 24 5%Cr-1%Mo 9%Cr-1%Mo (T/P 9) T/P 91, 91, 911 and 92 12%Cr-1%Mo VM 12SHC …… y el el desa desarrol rrollo lo contin continua ua

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Que in inflfluenci uencia a tienen los elementos elemento s aleantes? aleantes? Cromo (Cr) : Principalmente aumenta su resistencia a la corrosión y oxidación, fuerte formador de carburos, aumente resistencia mecánica, dureza y estabilidad a alta temperatura.

Molibdeno (Mo) (Mo):: Principal formador de carburos estables a altas temperaturas, resistente a la escamación (oxidación) a altas temperaturas.

Vanadio (V): Se emplea principalmente para la fabricación de aceros de herramientas, tiende a afinar el grano y a disminuir disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte y tiende a formar carburos.

Tungsteno(W): Sirve para mantener la dureza de los aceros a elevada temperatura. Níquel (Ni): adicionando a los aceros al carbono cantidades variables de 2 a 5%, se aumenta su resistencia y limite de elasticidad, sin disminuir la tenacidad.

Titanio (Ti): Se suelen añadir pequeñas cantidades de titanio a algunos aceros muy mu y especiales para desoxidar y afinar el grano. El titanio tiene gran tendencia te ndencia a formar carburos y a combinarse con el nitrógeno.

Niobio (Nb) (Nb):: Se emplea para mejorar la resistencia a las altas temperaturas. Boro (B): El boro mejora mejora notablement notablemente e la templabilidad templabilidad en los aceros aceros de baja aleaci aleación. ón. 5

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Especificación de materiales confo rme ASTM

ASTM A335 Gr. P9 ASTM A217 Gr. C12 A335 Gr. P5 A335 Gr. P91 A213 Gr. T92 A335 Gr. P92 Nos indica presentación del material base

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Bohler Soldaduras S.A. de C.V.

Nos indica el grado y composición química del material base.

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Foro de Soldadura PEMEX-REFINACION I

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Clasificación de aceros al Cr-Mo Aleac ion es CrMo 0.5Mo 1.25Cr-0.5Mo 1,00Cr-0.5Mo 1.25Cr-1MoV

Clasificaciones Internacionales ASTM/ASME DIN/VdTÜV T/P 1 T/P 11 T/P 12 T/P 36

EN

16 Mo 3 10 CoMo 5-5 13 CrMo 4-5 15 CrMoV 5-10 15 NiCuMoNb 5 (WB 36)

8MoB 5-4 10 CrMo 5-5 13 CoMo 4-5 15 NiCuNb 5

2.25Cr-1Mo 2.25Cr-1MoV 2.25Cr-MoVW 2.25Cr-1MoVTiB

T/P 22 T/P 22V T/P 23 T/P 24

10 CrMo 9-10

10 CrMo 9-10

HCM 2S 7CrMoVTiB 10-10

7CrWVMoNb 9-6 7CrMoVTiB 10-10

5Cr-0.5Mo

T/P 502

12 CrMo 19-5

9Cr-1Mo 9Cr-1Mo mod. 9Cr-0.5MoWV 9Cr-0.5MoWV

T/P 9 T/P 91 T/P 911 T/P 92

X12 CrMo 9-1 X10 CrMoVNb 9-1 X11 CrMoWVNb 9-1-1 X10 CrWMoNb 9-2

12Cr-0.25Mo +1.4W1.3Co0.2V

X12 CrCoWVNb 11-2-2 (VM 12-SHC) t<10mm

12Cr-1MoNiV

X20 CrMoV 12-1

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Propiedades Mecánicas Rp0.2% Rm MPa MPa > 290 > 500

> 310 > 415

515-690 585-760

°C < 460 < 545 < 545 < 545 < 545 < 545 < 545 < 550 < 550 < 550

X12 CrMo 9-1 X10 CrMoVNb 9-1 X11 CrMoWVNb 9-1-1

> 450

630-790

< 585 < 585 < 625 < 625 < 650

X20 CrMoV 11-1


Mayo 2012

> 500

700-850

< 585

Aspectos a considerar con los aceros Cr-Mo

• Resistencia a la termofluencia, Metalurgia y Tratamientos térmicos. • Resistencia a la fragilización por revenido. • Resistencia a la Oxidación. • Resistencia al Ataque de Azufre. • Resistencia al Ataque de Hidrógeno

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Que es la Termofluencia ?

La termofluencia es la deformación de tipo plástico que puede sufrir un material cuando se somete a temperatura elevada, y durante largos periodos, aun cuando la tensión o esfuerzo aplicado sea menor que su resistencia a la fluencia.

La termofluencia es causada por el movimiento de las dislocaciones, las cuales ascienden en la temperatura cristalina a causa de la difusión.

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Resistencia a la Termofluencia (CREEP).

Por ejemplo.: 600°C y 10 5 h, es la Límite de tensión de la termofluencia hasta fisuración (Creep Rupture Stress). •Por lo tanto, un criterio de diseño de Ingeniería para una central de generación energía puede, requiere una tensión mínima de 100MPa para 105 h a la temperatura de servicio. • La idea básica es que el Recipiente mantenga su tamaño y forma original en servicio durante 20 o 30 años.

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Aceros de tubería para uso en tuberías de vapor en plantas de generación de energía

Límite de tensión de la termofluencia hasta fisuración (Creep Strength) vs. Temperatura de Servicio

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Metalurgia de aceros Cr-Mo: • Formación de precipitaciones estables: carburos aleados en una estructura ferritica, bainitica y/o martensitica en condición de normalizado. •Precipitaciones bloquean los límites de grano y previenen el corrimiento de los planos de deslizamiento para dar las propiedades de Resistencia a la termofluencia deseadas. (forma, cantidad y distribución). • Estructuras homogéneas con propiedades homogéneas.

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Metalurgia de aceros Cr-Mo: • El nivel de aleación y el tratamientos térmico determina el tipo y la cantidad de los precipitados. • Los parámetros para el manejo del tratamiento térmico son la temperatura y el tiempo. • Variedad de precipitaciones son esperables en el diseño de los aceros Resistente a la termofluencia clásicos y modernos. Graphite Epsilon Cementite Chi M2X M7C3 M5C2 Mo2C NbC 13

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Fe2.4C Fe3C Fe2C M6C Laves Z-phase Cr 3C NbN

M23C6

VN


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Metalurgia de aceros Cr-Mo:

Tipos de Carburos formados en un acero 2.25Cr-0.5%Mo, dependiendo de la temperatura del revenido y del tiempo

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Tratamientos Térmicos para aceros al Cr-Mo: Tratamientos térmicos para los aceros CrMo y sus Uniones soldadas (I): El Tratamiento Térmico puede consistir de: (N) Normalizing • Normalizado • Revenido (T) Tempering • Recocido (AN) Annealing • Precalentamiento y T entre pasada (Tp & T i ) Preheat & Interpass temperature • Alivi o i nter med io d e tensiones (ISR) Inter med iate Stress Relievi ng • Alivi o d e ten siones (SR) Stress Relievi ng (STC) Step Cooling • Enfriamento en etapas • Tratamiento Térmico Posterio r a la Sold adura (PWHT = SR and/or STC) Post Weld Heat Treatment

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Tratamientos Térmicos para aceros al Cr-Mo: • Los tratamientos térmicos para el material base son razonablemente complejos. • Dependiendo del nivel de aleación un tratamiento de Normalizado, Revenido y Recocido a varias temperatura y por algunas horas debe realizarse con control sobre el calentamiento y el enfriamiento según estrictos procedimientos. •Lo mismo es valido para el material soldado. Con incremento en el contenido de aleación el Tratamiento Térmico post soldadura (PWHT) para las uniones se complica más.

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Tratamientos Térmicos para aceros al Cr-Mo: 1000 + 0

760°C- 10

800 ] C° [ er

600 ut ar e p

m

Heating rate 80 - 120°C/h

400

< 400°C cooling in still air

200 ·

0

Cooling rate 100 - 150°C/h

slow 250 - 300°Ccooling rate

e T

2-4h

·

·

20 - 100°C

00,511,522,533,544,555,566,577,588,599,51010,5 11 1,5 1212,5 1313, Time

Ciclo de temperatura y control térmico durante la soldadura y PWHT de aceros martensiti cos P91, E911 y P92 17

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Tratamientos Térmicos para aceros al Cr-Mo: 1000 heating rate 80 - 120°C/h

800

740°C

] C° [

540 - 560°C min. 1h

600 er

tu

cooling rate 100 - 150°C/h

ar e p

400 m e T

uniform wall thickness

250 - 300°C

g ni te

200 ia g er

ni p

0

h

e

a

t

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T

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g n i d l e w

s

e v s

W er P t s

p e d

ll a w

time

Ciclo de temperatura y control térmico durante la soldadura y PWHT de acero ferritico/bainiticoT/P23 (Para unio nes GTAW en espesores <10mm de T/P 23, no PWHT es req uerido)

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Tratamientos Térmicos para aceros al Cr-Mo: Rango de temperaturas para alivio de tensiones

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Acero

Rango

1/2Cr-1/2Mo

621-704 °C

1Cr-1/2Mo

621-718°C

11/4Cr-1/2Mo

621-718°C

21/4Cr-1Mo

677-760°C

3Cr-1Mo

677-760°C

5Cr-1/2Mo

704-760°C

7Cr-1/2Mo

704-760°C

9Cr-1Mo

704-760°C

9Cr-1Mo + V+Nb+N

732-760°C


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Fragilización por revenido:

• Materiales CrMo expuestos a 400-500°C por un largo periodo pueden presentar riesgo de fragilización por revenido (Temper Embrittlement), causado por elementos residuales/impurezas como Fósforo (P), Antimonio (Sb), Estaño (Sn) y Arsénico (As) que migran a los bordes de grano y pueden reducir la ductilidad, en el material base y en el material soldado debido a su bajo punto de fusión. Por lo tanto los elementos residuales/impurezas responsables deben ser restringidos. Bruscato y Watanabe han desarrollado formulas para expresar la tendencia a la fragilización por revenido.

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Bruscato: X = (10 P + 5 Sb + 4 Sn + As) / 100 (elementos en % en peso, resultado en ppm)

• Bruscato, X-factor: es valido para material base & soldado. • Las especificaciones para material soldado eran inicialmente X < 15 pero actualmente son X < 10. • Requisitos adicionales para Mn y Si son: Mn + Si < 1.1% • Con SAW, los elementos residuales pueden provenir del hilo y del flux  La combinación de ambos debe ser ensayada para que cumpla con los requisitos.  Esto significa que un solo suministrador para ambos es recomendable.

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• Watanabe: J = (Mn + Si) x (P + Sn) x 104 (elementos en % en peso) • Watanabe: solo valido para material base. • Especificaciones, restricción habitual J < 160 pero actualmente J < 120 ó 80 puede ser exigida

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Tipos de corrosión Los dos principales campos de aplicación de los aceros de baja aleación resistentes al calor son la Industria Petrolera (refinación del petróleo) y la producción de energía por vía térmica. Los principales problemas de corrosión de estos aceros cuando son expuestos a altas temperatura son:

Oxidación b ajo esfuerzo localizado;  Corrosión en médios sulfurosos ;  Ataque por hidrógeno en caliente . 

Para combatir esta situación podremos intentar bajar la temperatura del metal durante el funcionamiento de los equipos, eliminar o controlar los agentes corrosivos o utilizar aceros de alta aleación, con resistencia a la corrosión más apropiada a los medios agresivos existentes

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Corrosión por azufre: El sulfato de fierro que es producto de la reacción del ataque del H2S al fierro, es insoluble en el petróleo. Los ácidos nafténicos entre tanto convierten el fierro en naftenato de fierro soluble en petróleo. En condiciones reales casi siempre la corrosión nafténica ocurre simultáneamente con la corrosión por compuestos de azufre (temperatura de 200° C a 260°C).

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Tipos de corrosión

Rango de corr osi ón por Azufre para materiales CrMo a varias temperaturas (McConomy)

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Soldaduras

• Desde hace muchas décadas, Böhler Schweisstechnik Germany ha desarrollado un amplio rango de consumibles para la soldadura de los aceros CrMo en los procesos: SMAW, GTAW, SAW, GMAW y FCAW, cumpliendo todos los requisitos mecánicos y el factor X.

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Mayo 2012

Selección de consum ibles de soldadura -Como regla general deberá ser seleccionado un consumible de composición idéntica a la del metal de base; sin embargo, cuando en una misma aplicación son utilizados varios tipos de aceros Cr-Mo (hasta contenidos de cromo máximos de 3%) podrá limitarse el uso de diferentes tipos de consumibles, recurriendo solamente al de más alta aleación. -La selección de la combinación alambre-fundente para SAW (Arco Sumergido) deberá ser hecha teniendo en cuenta que el metal depositado presenta contenidos de carbono, manganeso y cromo más bajos y de silicio más alto que el Alambre utilizado. -Las varillas para TIG (Tungsteno Inert Gas) deberán ser de aceros desoxidados, con contenidos de silicio superiores a 0,5% de manera que eviten porosidades. -Dado el gran poder templante de los aceros Cr-Mo NO podrán ser soldados sin precalentamiento. -Contrariamente a los aceros C-Mn y C-Mn micro aleados, no existen procesos de determinación del pre-calentamiento en función del “Carbono Equivalente”. El precalentamiento es establecido de acuerdo con ensayos previos de soldabilidad, respetando, sin embargo, las recomendaciones de los Códigos de construcción aplicables.

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Soldadura de los aceros CrMo.....…..

Rango de parámetros para los procesos de soldadura Factores determinantes: - Temperatura de precalentamiento - Temperatura entre pasadas - Proceso de soldadura - Consumibles de soldadura - Input térmico - Estructura de las capas - Espesor de los cordones - PWHT El proceso de desarrol desarrollloo de los nuevos materiales exige más precisi ón en los parámetros y equipos humanos altamente cualificados. 29

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P22 V

T/P2 2

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Especificación conforme AWS

A5.5 E8018 B2 H8 R A5.5 E 9015 B3 A5.23 EB2-B2 A5.23 EB2R-B2R

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Temperaturas de mantenimiento de electrodos

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Productos Marca T-PUT

Metal Base 0.5 Mo

Grado

Proceso

T/P 1

1Cr, 0.5 Mo

T/P 11 ó 12

2.5 Cr, I Mo

T/P 22

T/P 23

9 Cr, 1 Mo + V, N, Ni, Al, Cb

10 Cr, 1Mo + V, Ni, Cb, B, N, Al, W

T/P 91

T/P 911

Clasificación

SMAW

E 7018-G

Schuwarz 3 MK

GTAW

A5.28 ER80S-G

Union I Mo

SMAW

A5.5 E8018 B2

Thermanit Chromo I

SAW

A5.23 EB2R-B2R

A: Union S2 CrMo

GTAW

A5.28 ER90S-G

Union I CrMo

SMAW

A5.5 E 9015 B3

Phoenix Chromo 2 KS

SAW

A5.23 EB3R-B3R

A: Union S I CrMo 2

GTAW

A5.28 ER90S-G

Union I CrMo 910

SMAW

A 5.5 E 9015-G

Thermanit P23

GTAW

A 5.28

Union I P23

SMAW

A5.5 E9015B9

Thermanit Chromo 9V

SMAW

A5.5 E 9018B9

Thermanit Chromo T91

A5.28 ER 90S-B9

Thermanit MTS 3

A5. 5 E9015-G

Thermanit MTS 911

SMAW

( E 9015-B9 Mod. ) GTAW

9 Cr, 0.5 Mo + V, N, Ni, Al, Cb, W, B

T/P 92

SMAW

Thermanit MTS 911 A5. 5 E9015-G

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Thermanit MTS 616

( E 9015-B9 Mod. ) GTAW

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Nombre de producto

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Thermanit MTS 616

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F:UV 420 TTR, UV420TTR-W

F: UV420TTR, UV420TTR-W

Productos Marca UTP

Metal Base

Grado

Proceso

Clasificación

Nombre de producto Marca TPUT

0.5 Mo

T/P 1

SMAW

E 7018-A1

UTP 642

GTAW

A5.28 ER80S-G

UTP A642

SMAW

A 5.5 E 8015 B6

UTP 8015 B6

GMAW

A5.28 ER80S-B6

UTP 64

SMAW

A5.5 E 8015 B8

UTP 8015 B8

GMAW

A5.28 ER 80S B8

UTP A649

SMAW

A5.5 E8018 B2

UTP 641

GMAW

A5.28 ER80S-B2

UTP A641

SMAW

A5.5 E 9015 B3

UTP 640

GMAW

A5.28 ER90S-B3

UTP A640

5 Cr, 0.5 Mo

9 Cr, 1 Mo

1Cr, 0.5 Mo

2.5 Cr, I Mo

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T/P 5

T/P 9

T/P 11 ó 12

T/P 22


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REFERENCIAS

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Soldadurade desoldadura los acerosyCrMo.....….. soldadura final de una Referencia: Preparación conexión de gran espesor en una tubería de vapor en una Central

Metal base: Acero al CrMo gr. P91 Metal de aporte: Thermanit 9V (SMAW)

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Referencia: Coke Drums SKANSKA BRASIL LTDA. COKE DRUMS Owner & Engineering : PETROBRAS

Courtesy of SKANSKA BRASIL LTDA.

PHOENIX CHROMO I UNION S 2 CrMo/UV 420 TTR BÖHLER CM5 - IG UTP 68 HH UTP 68 LC 40

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Referencia: FCC Regenerator

FCC Regenerato r, L&T, India C-Mn Steel Welding consumables: SAW Uni on S3/ IV 420 TTR

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Mayo 2012

Reference: HDS Reactor HDS Reactor, Winkels, Germany Material 21/4 Cr 1Mo Engineering Foster Wheeler

Welding consumables: Phoenix SH CrMo2KS Union S1CrMo2/ Flux UV420TTR

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Mayo 2012

Referencia: HDT Reactor

Larson & Toubro HTD Reactor 2.25CrMo V+/SS 347 Clad Filler: SMAW Phoenix SH CrMo 2 KS SAW Union S 1CrMo2/ UV 420TTR-W Courtesy of L&T

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Referencia: Reactor

Courtesy of Godrej & Boyce

Reactor, Godrej & Boyce Mumbai, India 21/4Cr1Mo, s=153mm 44

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Phoenix SH Chrom o 2KS (SMAW) Union S 1 Cr Mo 2/UV 420 TTRW (SAW) Unio n I Cr Mo 910 Spezial


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Recipiente aSoldadura presióndede los gran aceros espesor CrMo.....…..de acero 2.25%Cr-1%Mo, fabricado por Godrej en India. Datos técnico s del Reactor Petroquímica: • Material base: • Espesor: • Peso total: • Condiciones de

2,25%Cr-1%Mo 124, 132 y 153 mm 500 ton aprox servicio : - 120 bar @ 437°C • Consumibles de sol daura: - SAW: Unio n S1CrMo2 & UV 420TTR - SMAW: Phoenix SH Chromo 2 KS

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Referencia: Hydro Cracker

Datos t écnico s: • Material b ase: 2,25%Cr-1%Mo • Tamaño:

- Espesor: 358mm - Longitud: 21m - Diámetro: 5.3m - Peso total: 706t • Condiciones de servici o: - 215.5bar de presión @ 454°C • Consumibles de sol dadura: - SAW: Union S1CrMo2 & UV 420TTR - SMAW: Phoenix SH Chromo 2 KS

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Referencia: Hydro Cracker Hydro Cracker, Technip, Finland

Welding consumables: Soudotape 24.12.LNb/ Flux Record EST 136 Single Layer Technique

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Muchas gracias por su atención Cualquier duda técnica estoy a sus ordenes en el correo: [email protected] ó al teléfono: 01 55 53 07 91 43 Ext. 277

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Aleaciones Cromo-Molibdeno

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