Metalurgia y Soldabilidad de Aceros para Aplicaciones Criogénicas Oscar A. Quintana P. y J. Ernesto Indacochea B. Joining Science & Advanced Materials Research Laboratory Materials Engineering Department University of Illinois at Chicago Chicago, Illinois USA Resumen El incremento en los requerimientos de energía de hoy en día hace que el consumo de los combustibles se incremente del mismo modo. Asimismo, existe un mayor interés en el uso del gas, especialmente el gas natural como fuente de energía. El gas natural es más eficientemente almacenado y transportado en fase liquida, lo cual supone llevar el material a temperaturas por debajo de -163°C. Para este propósito se requiere de materiales que sean económicos y a la vez adecuados a bajas temperaturas. Aceros al 9% níquel han sido desarrollados para lograr las propiedades mecánicas requeridas; su buena tenacidad y resistencia al impacto a bajas temperaturas lo hacen idóneo para este propósito. En este trabajo se revisa la metalurgia de aceros para aplicación criogénica, enfocándonos en el acero al 9% níquel, la soldabilidad de estos aceros, aspectos generales para el procedimiento de soldadura así como precauciones a tomar en cuenta para su soldadura. Finalmente se muestra con un caso el buen desempeño de estos aceros después de largo tiempo de servicio.
Introducción Debido al crecimiento económico de países del tercer mundo, como por ejemplo China, los requerimientos de energía se han aumentado enormemente. Dentro del consumo de los combustibles convencionales, la demanda de gas natural se ha incrementado también. Nuevos yacimientos ubicados en áreas remotas están en explotación actualmente. El desafío que se presenta es su transporte y almacenamiento. La forma más eficiente de almacenar gases es en su fase líquida; ya que ésto reduce el volumen del gas natural por un factor de 600. Esto representa una reducción en los costos del transporte y almacenamiento. La temperatura de licuefacción del gas natural es de 163°C, lo que implica que los materiales estructurales deben tener propiedades mecánicas aptas para estas condiciones. Diferentes aleaciones que conserven sus propiedades mecánicas a bajas temperaturas han sido utilizadas. Estas propiedades mecánicas incluyen buena ductilidad y resistencia a la tracción, buena tenacidad para resistir la propagación de grietas y sobre todo debe ser soldable sin afectar las propiedades mencionadas.
Metalurgia de los Materiales Criogénicos La propiedad más crítica de los aceros para aplicaciones criogénicas es su tenacidad. Los materiales ferríticos presentan un cambio en su comportamiento mecánico cuando son expuestos a bajas temperaturas; esto se manifiesta por una reducción en la tenacidad del acero, caracterizada por un cambio de un comportamiento dúctil a frágil cuando la temperatura decrece por debajo de la temperatura critica de transición. Esta temperatura
crítica no es vista en todos los materiales y depende de la estructura cristalina de los materiales. En el caso de los aceros, los ferríticos son los que muestran este comportamiento, a diferencia de los aceros austeníticos que no muestran esta temperatura de transición. En los aceros ferríticos el carbono afecta la energía de impacto; es sabido que a medida que el contenido del carbono incrementa, la energía de impacto baja y la temperatura de transición incrementa (Figura 1); ambos factores son manifestaciones de decrecimiento de la tenacidad del acero. Sin embargo, hay otros elementos de aleación que tienen un efecto directo en la curva de impacto, energía vs. temperatura. El níquel, entre tanto, mejora la tenacidad del acero a bajas temperaturas reduciendo la temperatura de transición, pero con adiciones mayores al 13% por peso, la temperatura de transición dúctil-frágil desaparece, como de aprecia en la Figura 2.
Figura 1. Efecto del contenido de carbono en las propiedades de tenacidad del acero.
Figura 2. Efecto del níquel en un acero de bajo carbono.
Hay diferentes materiales para aplicaciones de bajas temperaturas y su selección es basada so solamente en sus propiedades mecánicas y físicas, pero también desde el punto de vista del costo. Los aceros al carbono y de baja aleación tienen una aplicación limitada. Pero para servicios en temperaturas mucho mas bajas y criogénicas estos aceros incluyen mayores contenidos de níquel. Para temperaturas por debajo de -196°C la selección cambia a aceros inoxidables austeníticos y hasta el aluminio. La Tabla 1 muestra un listado de los diferentes metales y temperaturas de aplicaciones muy por debajo de los 0°C. Además de las propiedades de tenacidad, la resistencia del metal a la tracción es también muy importante para la selección del material estructural para tanques o tuberias. Los aceros ferríticos en este caso, se han visto que ofrecen mejores propiedades de fluencia y esfuerzo máximo, como se aprecia en la Figura 3. Una adición de 5% níquel, incrementa estas propiedades por encima de los otros dos aceros austeníticos, sin embargo la adición del 9% níquel resulta en una mejora mayor. Se puede notar también que a pesar de la
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mejora en fluencia y esfuerzo del acero al 9% níquel, la tenacidad permanece excelente, comparado a los otros aceros mostrados en la Figura 3.
Tabla 1 Aplicación de varios materiales a diferentes temperaturas de licuefacción de gases. Temperatura de licuefacción °C
Gas
Tipo de material empleado
Esf. Fluencia Esf. Máximo Charpy V (J)
690 620
585
565
490 a P M
390 345
9% Ni 5% Ni 190
@ -196°C 60
304L
@ -196°C @ -120°C
70
34 A553Gr1
X12Ni5
@ -120°C 27 A203GrE
Figura 3. Propiedades mecánicas de diferentes aceros empleados a temperaturas criogénicas.
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Aceros al 9% Níquel Además de afectar las propiedades mecánicas del acero, el níquel impacta la transformación de la austenita a productos típicos de baja temperatura, ferrita, bainita y martensita. El níquel no solo demora la transformación de la austerita, sino que aumenta la templabilidad del acero. La Figura 4 muestra la curva de enfriamiento continuo (CCT), y el efecto de la adición de 9% de níquel que mejora la templabilidad, dado que reduce la velocidad crítica de enfriamiento, durante los tratamientos térmicos para producir martensita. Se observa también que el níquel reduce las temperaturas, de inicio y final, de la transformación martensítica, pudiendo de esta manera obtener austenita retenida luego del enfriamiento lo que contribuye a mejorar la tenacidad de estos aceros criogénicos.
Figura 4. Efecto del níquel en un acero de bajo carbono.
La Norma ASTM define a los aceros al 9% níquel de acuerdo a su tratamiento térmico. La Tabla 2 muestra la composición química y algunas propiedades mecánicas de estos aceros. La principal diferencia es el tratamiento térmico al cual son sometidos estos aceros. Tabla 2 Composición química y requerimientos mecánicos para aceros al 9% níquel según ASTM A353/353M, doble normalizado y revenido y A553/553M, templado y revenido
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Tratamientos Térmicos Aceros ASTM A353/353M
Estos aceros son sometidos a tratamientos térmicos de doble normalizado y revenido. El primer tratamiento térmico de normalizado es llevado a cabo a una temperatura de austenización alrededor de 900°C con el propósito de obtener una estructura homogénea de austerita (ver Figura 5); luego se enfría al aire para obtener una microestructura que consiste en martensita, bainita y austenita retenida (γ). El segundo normalizado se realiza a una temperatura de austenización de 790°C, para obtener una estructura austenítica más fina y luego del enfriamiento en aire se obtiene la misma microestructura que le primer normalizado. Luego de estos dos normalizados, el acero es sometido a un tratamiento térmico de revenido, a una temperatura entre 570 y 610°C. Este tratamiento final permite obtener martensita y bainita revenida, austerita retenida (γ) estable enriquecida con carbono y ferrita (α).
X
Aceros ASTM A553/553M 250X
Figura 5. Diagrama Fe-Ni mostrando las temperaturas de austenización para un acero al 9% níquel: ASTM A353/353M (●) y ASTM A553/553M (X)
Figura 6. Microestructura de un acero ASTM A553 Gr1, con martensita templada y revenida, austerita retenida y ferrita.
Aceros ASTM A553/553M
Estos aceros presentan mayor resistencia a la fluencia que los aceros A353/353M. Los tratamientos térmicos a los que son sometidos estos aceros son de templado en agua y revenido. El templado se realiza desde una temperatura de austenización entre 800 y 820°C (ver Figura 5). Luego del templado en agua se obtiene una estructura que consiste en martensita de bajo carbono, austenita retenida, y bainita, con una dureza no mayor de 400HV. Seguido al templado se realiza un tratamiento de revenido entre 570 y 610°C, la
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estructura final es de martensita revenida, ferrita (α), carburos y austenita estable de alto carbono. La ferrita (α) ayuda a evitar fisuras durante la solidificación y la austenita ( γ) mejora la tenacidad y al mismo tiempo de disolver los carburos (producto del revenido). La ausentita (γ) además se enriquece de carbono. Esto ayuda a que la austenita se mantenga estable a –196°C. La Figura 6 muestra la estructura de un acero A553 Gr 1, de una plancha de 13 mm de espesor, austenizada a 800°C por 1 hora, templada en agua y revenida a 605°C por 1 hora.
Soldadura de Aceros al 9% Níquel Generalmente estos aceros se sueldan en la condición posterior al tratamiento térmico. La preparación de junta debe realizarse cuidadosamente; debe evitarse bordes agudos para cuidar de no inducir magnetización en la plancha. Las superficies deben limpiarse cuidadosamente con acetona o algún solvente orgánico para eliminar contaminantes que puedan ocasionar defectos en la soldadura. Aspectos en la fabricación por soldadura •
Evaluación de los procesos de soldadura a emplear
•
Material de aporte a utilizar
•
Procedimiento de soldadura
Evaluación de los procesos de soldadura a emplear:
Procesos de soldadura tales como soldadura por arco sumergido (SAW), soldadura con arco protegido con gas (GMAW), soldadura de arco con electrodo de tungsteno (GTAW) y soldadura con electrodo revestido (SMAW) pueden ser empleados, sin embargo el proceso SMAW resulta ser un proceso viable y flexible para soldar en cualquier posición o material y en campo. Para este proceso electrodos básicos son empleados. Material de aporte a utilizar:
Los materiales de aporte varían desde aleaciones ferríticas hasta aquéllas de alto porcentaje de Ni (80Ni/20Cr/0.26C); éstas generalmente son utilizadas en aplicaciones de alta temperatura. Las aleaciones ferríticas alrededor de 12 %Ni son económicas, sin embargo no son aceptadas aún, para los tamaños de los tanques de almacenamiento de hoy en día. El objetivo primordial en seleccionar el material de aporte es conseguir un metal homólogo al metal base que sea tenaz, dúctil para reducir los estreses de la ZAC (elong. > 35%), y con un coeficiente de expansión térmica bajo y similar al metal base, para evitar la fatiga térmica en la unión. Debido a que los tanques para GNL están sujetos a continua expansión y contracción, la constante de expansión térmica de los materiales de aporte deben ser similares a los del material base. En la Figura 7 se observa que el material de aporte ENiCrMo-6 se acerca más a la expansión térmica del material base a diferentes temperaturas.
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Figura 7. Coeficiente térmico lineales en función a temperatura, para diferentes materiales de aporte y acero al 9% Ni como material base. Procedimiento de Soldadura Calificación de soldadura:
Los procedimientos de soldadura para el acero 9% Ni son calificadas bajo el Código ASME Sección IX y la Sección VIII Div. 1, para aplicaciones ULT (temperaturas ultra bajas) requiere ensayos de tracción adicionales a temperaturas igual o por debajo de lo permitido por el diseño del recipiente. El código ASME Sección VIII, Div. 1 y 2, la Sección III y el estándar API 620 Apéndice Q especifican que el metal de soldadura y la ZAC deben tener al menos la misma tenacidad Charpy que el metal base. Propiedades mecánicas de soldaduras para aceros al 9% níquel:
La Tabla 3 muestra las propiedades mecánicas de algunas soldaduras de aceros al 9% níquel. Tabla 3. Propiedades mecánicas de algunas soldaduras de aceros al 9% níquel. Producto utilizado para la soldadura/ Proceso
(1) ER NiCrFe-6 Corto circuito GMAW (2) Sandvik 16.13.CMnW Lincoln 880 Flux SAW (3) ER NiCrMo-3 Arco pulsado GMAW
Tipo de ensayo
Esfuerzo de tracción (MPa)
Esfuerz Localización Energía absorbida en el ensayo de %de o de de la falla impacto Charpy con entalla en V (J) elongación en fluencia 25 mm. ZAC Soldadura (0.2%)
---
---
---
---
---
Transversal
721
---
---
soldadura
---
---
---
---
---
Transversal
707
---
---
soldadura
---
---
---
---
---
Transversal
748.5
---
---
Metal base
Procedimiento de soldadura para aceros al 9% níquel:
7
25°C
-196°C
25°C
-196°C
---
163
---
45
---
65
---
42
---
81
---
65
La Tabla 4 muestra tres procedimientos diferentes para aceros al 9% níquel. Se observa que los gases de protección para el proceso GMAW en los casos (1) y (3) cambia conforme a la clase del modo de transferencia del metal. Tabla 4 Procedimientos de soldadura para aceros al 9% níquel – 3 casos diferentes.
Proceso de soldadura
(1) GMAW corto circuito
(2) SAW
(3) GMAW arco pulsado
ERNiCrFe-6
Sandvik 16013.CMnW
ERNiCrMo-3
automático
automático
Manual
Espesor de material base y tipo de junta
12.7 mm. (1/2”) 60°, 3.0 mm. de abertura de raíz y platina de cobre como respaldo (“backing”)
22.0 mm. (7/8”) 60°, 5.0 mm. de abertura de raíz y platina de acero como respaldo (“backing”)
11.0 mm. (7/16”) 60°, 1.5 mm. de abertura de raíz y 1.5 mm. de cara de raíz
Diámetro del material de aporte
1.2 mm.
2.5 mm.
1.2 mm.
Gas de protección o Flux
90% He – 10% Ar
Lincoln 880 Flux
75% He – 25% Ar
Amperaje-voltaje
150-160 A – 23-24 V
270-300 A – 26-29 V
130-140 A – 26-29 V
Número de pases
6 pases
7 pases
7 pases y 1 de res aldo
23-28 cm/min. decreciendo hasta 10-13 cm/min.
25-35 cm/min.
20-33 cm/min.
oscilando
sin oscilación
oscilando ligeramente
Material de aporte Manual/Automática
Velocidad de avance Sin oscilación/con oscilación
Calor de Aporte
Así como con otros aceros empleados para bajas temperaturas, los aceros al 9% níquel deben ser soldadas con calores de aporte controlados para preservar su característica de resistencia al impacto en la ZAC. Bajos aportes de calor son empleados aún para el proceso SAW. Datos de laboratorio sugieren aportes de calor basado en el espesor de la plancha, descritos en la Tabla 5, a considerarse en el procedimiento de soldadura: Tabla 5. Calores de aporte recomendado para diferentes espesores de aceros al 9% Ni. Espesor aproximado (mm)
kJ/mm máx.
e ≥ 14.0 14.0 ≤ e ≤ 19.0 19.0 ≤ e
1.4 1.6 2.0
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Precalentamiento
Las soldaduras de aceros al 9% níquel realizadas con materiales de aporte austeníticos son relativamente inmunes a problemas de fisuración en frío. Sin embargo, para espesores mayores que 25.0 mm. se sugiere un precalentamiento de 35°C y que planchas más delgadas no sean soldadas por debajo de la temperatura de rocío. El código ASME Sección VIII Caso 2214 provee información adicional acerca de requerimientos de precalentamiento en situaciones especiales. Post Calentamiento
El código ASME no requiere de tratamiento térmico post soldadura para aceros al 9% Ni de espesores igual o menores a 50.0 mm. Pero existen excepciones para requerimientos de fabricación según ASME Sección VIII, Div. 1 ULT-79. La temperatura para tratamiento térmico post soldadura debe ser controlada y menor a la temperatura de revenido del metal base; el rango usado es 551-583°C. El ratio de enfriamiento debe ser menor a 167°C/hr para evitar la reducción en la tenacidad al impacto del acero.
Estudio de Caso de un Tanque de GNL de Acero al 9% Níquel Después de 29 años de servicio, la empresa San Diego Gas and Electric, desmanteló dos tanques de almacenamiento de GNL. Estudios de las soldaduras fueron realizados durante y después del desmantelamiento. El propósito de este estudio fue confirmar, a través de experiencia de campo, la habilidad de estas aleaciones para mantener su excelente resistencia a la iniciación y propagación de fisuras a bajas temperaturas por largos tiempos de servicio. Tres áreas fueron investigadas principalmente: •
Propiedades mecánicas de aleaciones 9% níquel en largos periodo de servicio.
•
Propagación de fisuras en servicio.
•
Corrosión.
Propiedades mecánicas de aleaciones 9% níquel por largos periodos de servicio:
Todo el material ensayado cumplió los requisitos solicitados por el actual código API 6 20, Apéndice Q. Los valores de los ensayos de impacto Charpy, excedieron lo mínimo requerido por el código. Estos resultados sugieren que la tenacidad no es sensible a cambios, que mucho menos vayan por debajo del código, durante largos periodos de servicio. Propagación de fisuras en servicio:
La pregunta que se planteó fue si discontinuidades pre-existentes, principalmente en las soldaduras, podrían desarrollar en fisuras durante el largo servicio. Por tanto el estudio se enfocó en buscar discontinuidades en forma de fisuras que desarrollaron a partir de estas discontinuidades. No se encontró ninguna fisura; demostrando la buena resistencia a la iniciación de fisuras de estos materiales y su buena capacidad de detener el crecimiento de alguna fisura originada por accidente. Corrosión.
No se encontró ninguna cantidad significativa de corrosión en las superficies de este acero al 9% níquel.
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Conclusiones •
Los aceros ASTM A553/553M cumplen con los requisitos de tenacidad y máxima resistencia al esfuerzo hasta temperaturas alrededor de -196°C. La microestructura muestra gran resistencia a la iniciación y propagación de fisuras.
•
Los procesos de soldadura empleados son diversos, sin embargo el proceso SMAW resulta ser un proceso viable y flexible para soldar en cualquier posición o material y en campo.
•
Materiales de aporte con alto contenido de níquel son los más apropiados para soldar aceros al 9% níquel. Asimismo, la constante de expansión térmica es un importante factor a considerar para seleccionar el material de aporte.
•
Calores de aporte deben ser controlados para preservar la tenacidad en la ZAC. El tratamiento térmico post calentamiento debe regirse a los códigos establecidos.
Bibliografía 1. Production and properies of High-Strength Nickel Alloy Steels plates for low temperature applications. K. Hickmann, A. Kern, U. Shriever and J. Stumpfe.ThyssenKrupp Stahl AG. Division Metallurgy/Heavy Plate. Profit center Heavy Plate, Germany. 2. Welding of 3.5%, 5% and 9% Nickel Steels for cryogenic applications. Gregorio G., Demuzere R., Delporter R. Eurojoin 2 Florence 16/18 May 1994. 3. Report: Electrodes for Welding 9% Nickel Steels. Jan Hilkes, Fred Neessen, and Silvia Caballero. Welding Journal, January, 2004. 4. Report: Welding Stainless and 9% Nickel Steel Cryogenic Vessels. Richard E. Avery and David Parsons, Welding Journal, November, 199 5.
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