Mejores prácticas para prevenir la fractura frágil en tuberías, bridas y accesorios de acero al carbono

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Nota del editor: este artículo es una continuación de "Causas y soluciones para las fallas de los componentes del carrete dúctil" y "ASME revisa los requisitos de prueba para tuberías, accesorios y bridas".

Las aleaciones tradicionales tienen roles estándar en la fabricación de metales, ya sea que los metales sean aceros inoxidables para dispositivos médicos o productos marinos; cualquiera de las generaciones de aceros de alto rendimiento desarrolladas en las últimas dos décadas para la industria automotriz; o metales como el aluminio y el titanio, que tienen una alta relación resistencia-peso y alta resistencia a la corrosión, lo que los hace especialmente adecuados para aplicaciones aeroespaciales, de refinería y de procesamiento químico.

Lo mismo ocurre con algunas aleaciones de acero al carbono, especialmente aquellas que tienen cantidades específicas de carbono y manganeso. Algunos de estos, dependiendo de la cantidad de elementos de aleación, son adecuados para usar en la fabricación de bridas, accesorios y tuberías para plantas de procesamiento químico y refinerías. Todos tienen una característica en común: los materiales utilizados en estas aplicaciones deben ser lo suficientemente dúctiles para resistir la fractura frágil y el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC).

Organizaciones de estándares como la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Manufactura (ASME) y ASTM Intl. (anteriormente conocida como la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales) proporcionan orientación en este asunto. Dos códigos relevantes de la industria: Código ASME para calderas y recipientes a presión (BPVD), Sección VIII, División 1 y ASME B31.3, Tuberías de proceso, consideran los aceros al carbono (cualquier material ferroso que tenga de 0,29 % a 0,54 % de carbono y de 0,60 % a 1,65 % de manganeso) ser lo suficientemente dúctil para el servicio en climas cálidos, zonas templadas y áreas en las que la temperatura desciende hasta -20 grados F. Sin embargo, las fallas recientes a temperatura ambiente han llevado a un escrutinio más detallado con respecto a las cantidades y proporciones de varios elementos de microaliación utilizados en la fabricación de dichas bridas, accesorios y tuberías.

Hasta hace poco, ni ASME ni ASTM requerían pruebas de impacto para confirmar el comportamiento dúctil de muchos artículos de acero al carbono utilizados a temperaturas tan bajas como -20 grados F. Las decisiones de eximir a ciertos productos se basaron en las propiedades históricas de los materiales. Por ejemplo, productos de acero al carbono como bridas A105, accesorios A234-WPB y tuberías de acero al carbono A106 grado B con un espesor de pared de ½ pulgada (25 mm) o menos, cuando se usan a una temperatura mínima del metal de diseño (MDMT) de -20 grados F, han estado exentos de las pruebas de impacto debido a su papel tradicional en tales aplicaciones.

Sin embargo, la aceptación histórica y las aplicaciones tradicionales no necesariamente se mantienen para siempre. Algunos materiales que caen bajo la curva B de la revisión de 2017 de ASME VIII-1, UCS-66 (ver Figura 1), tienen un historial documentado reciente de fallas debido a fractura frágil a temperaturas superiores a -20 grados F, y en muchos casos a temperaturas cálidas. Por lo tanto, se considera que tienen riesgo de fractura frágil a temperatura ambiente, principalmente durante el arranque, el apagado, las pruebas hidrostáticas y la despresurización rápida (autorrefrigeración).

La práctica de realizar adiciones deliberadas de oligoelementos durante la fabricación de aceros de medio carbono, que contienen de 0,18 % a 0,23 % de carbono, posiblemente tiene como objetivo reducir la temperatura del tratamiento térmico y el tiempo de procesamiento. En uso durante las últimas décadas, esta técnica ha tenido una consecuencia no deseada: el agrietamiento frágil de las bridas de grado A105, los accesorios A234-WPB y las tuberías de acero al carbono A106-B. Se sabe que este fenómeno ocurre a temperatura ambiente.

Este problema se agudiza cuando los materiales que son propensos a SCC se implementan en ciertas condiciones de servicio. Según la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión (NACE) MR0103, el diseño, el procesamiento (corte, doblado, soldadura), la instalación o el manejo inadecuados pueden hacer que los materiales resistentes se vuelvan susceptibles a SCC. Las concentraciones de tensión en las muescas locales, como las picaduras de corrosión, hacen que las soldaduras sean vulnerables a SCC. También se sabe que las tensiones de tracción residuales de la soldadura inician el agrietamiento sin tensiones externas. Las soldaduras que no han sido liberadas de tensión y los componentes que han sido trabajados en frío son particularmente vulnerables. El incumplimiento de los requisitos de tratamiento térmico, mecánicos o químicos de las especificaciones solo se puede verificar mediante un examen metalúrgico. Las imperfecciones en las superficies mecanizadas de las bridas soldadas solo se pueden detectar mediante una evaluación volumétrica no destructiva.

La UE reconoció este problema y requiere pruebas de impacto en el MDMT correspondiente. ASME reconoció este problema en la edición de 2019 de la especificación ASME BPVC VIII-I cuando reasignó estos aceros al carbono a la curva A de las curvas de exención de prueba de impacto que se muestran en la ilustración UCS-66.

En la versión 2019, los materiales de la curva A (clasificados para una MDMT de 18 grados F) incluyen lo siguiente:

FIGURA 1. Este gráfico, que se aproxima a ASME UCS-66 y aparece aquí solo con fines ilustrativos, muestra cuatro funciones de temperatura para pruebas de impacto. Si una aleación se enumera como perteneciente a la curva C, su espesor es de 3,5 pulgadas y la MDMT es de 60, está por encima de la curva y no necesita una prueba de impacto. Si un artículo similar tiene una MDMT de 40, está por debajo de la curva y necesita una prueba de impacto.

Estos aceros se pueden restablecer a la curva B (-20 grados F MDMT) mediante un procesamiento adicional, como normalización y enfriamiento, que se enumeran en las notas de la ilustración UCS-66.

En la publicación de 2019 de ASME BPVC VIII-I, ilustración UCS-66, los materiales de la curva B (clasificados para una MDMT de -20 grados F) incluyen lo siguiente:

Por lo tanto, si la prueba de impacto no es una posibilidad, el fabricante debe usar una química que sea más restrictiva que la química permitida por los límites de control enumerados en las especificaciones individuales de ASTM/ASME del material para evitar la fractura por fragilidad y SCC (consulte la Figura 2).

Las siguientes notas proporcionan antecedentes adicionales:

Sin estas precauciones, es probable que los componentes de presión de acero al carbono sean vulnerables a la fractura frágil durante la prueba hidráulica o durante la operación, incluso cuando se operan a 60 grados F o menos.

Debido a que se ha descubierto que la composición química del acero es la causa principal de las fallas de SCC, la incorporación de estas mejores prácticas contribuirá en gran medida a reducir este modo de falla, y probablemente a eliminarlo, en los circuitos de tuberías como se describe en ASME B31.3. B31.1, B31.12 y especificaciones similares.

FIGURA 2. Para evitar el agrietamiento por corrosión bajo tensión en el acero al carbono, las mejores prácticas incluyen el uso de estos límites de control para la química del acero.