Selección y aplicación de tubos de aleación a base de níquel
Los tubos de aleación a base de níquel forjado introducidos aquí (definidos como aleaciones que contienen más del 45% de níquel) incluyen varios tipos de aleaciones resistentes a la corrosión forjadas comúnmente utilizadas en plantas químicas.
Las composiciones químicas y los números de UNS de estas aleaciones se enumeran en la Tabla 1. Para la conveniencia de los lectores, algunos nombres comerciales comunes también se enumeran junto a ellos.
1 Propiedades de aleaciones
Las aleaciones de níquel son más caras que el acero inoxidable. Sin embargo, las comparaciones económicas basadas en el costo inicial en lugar del costo del ciclo de vida pueden ser engañosas. Por ejemplo, el precio de la aleación Ni-Cr-mo es aproximadamente 5 veces mayor que el de 18cr -8 ni acero inoxidable y 2 veces el de acero inoxidable austenítico. Sin embargo, debido a la resistencia a la corrosión superior de las aleaciones de níquel, el aumento en el costo inicial a menudo puede ser compensado por los ahorros de costos a largo plazo provocado por la vida útil de los equipos extendidos, los costos de mantenimiento reducidos y menos tiempo de inactividad.
Las propiedades físicas de las aleaciones de níquel son muy similares a las del acero inoxidable austenítico de la serie 300. La tasa de expansión térmica de las aleaciones a base de níquel es aproximadamente igual a la del acero al carbono, y significativamente menor que la del acero inoxidable de la serie 300.
Aunque el níquel puro tiene una conductividad térmica más alta que el acero al carbono, la mayoría de las aleaciones de níquel tienen una conductividad térmica significativamente menor, en algunos casos incluso más baja que la del acero inoxidable austenítico.
Excepto para el níquel puro, las aleaciones de níquel utilizadas en la industria del procesamiento de productos químicos son mucho más fuertes que el acero inoxidable de la serie 300. Las aleaciones de níquel también tienen muy buena ductilidad y tenacidad (ver Tabla 2 para propiedades mecánicas de temperatura ambiente). Las tensiones permitidas para la mayoría de las aleaciones utilizadas en equipos químicos se dan en la Sección VIII del código ASME Boiler y Vessel a presión.
Las aleaciones de níquel son microestructuras totalmente austeníticas. Casi todas las aleaciones de níquel utilizadas en la industria química son una solución sólida fortalecidas. Su mayor fuerza proviene de la adición de elementos de endurecimiento efectivos como el molibdeno y el tungsteno, en lugar de la formación de carburos. Al igual que el acero inoxidable austenítico, las aleaciones de níquel de solución sólida no pueden fortalecerse mediante el tratamiento térmico, pero solo se pueden fortalecer mediante el trabajo en frío.
Otra gran clase de aleaciones a base de níquel puede fortalecerse mediante el tratamiento térmico endurecedor de la precipitación. La mayoría de estas aleaciones están especializadas para aplicaciones de alta resistencia, como las utilizadas en la producción de petróleo y gas profundos y procesos de alta presión.
Las aleaciones a base de níquel endurecidas por precipitación tienen una aplicación limitada en equipos químicos, excepto las válvulas y las piezas de maquinaria giratoria. Esta clase de aleaciones incluye aleaciones resistentes al calor utilizadas en turbinas de gas, combustoras y aplicaciones aeroespaciales.
2 resistencia a la corrosión
Las aleaciones de níquel son un paso arriba de los aceros inoxidables convencionales y las aleaciones austeníticas a base de hierro en su capacidad para resistir la corrosión por una variedad de ácidos, bases y sales. Una de las ventajas sobresalientes de las aleaciones de níquel es su excelente resistencia a la corrosión en soluciones acuosas que contienen iones de haluro. En este sentido, las aleaciones de níquel son muy superiores a los aceros inoxidables austeníticos, que son susceptibles a la corrosión por soluciones de cloruro y iones de fluoruro.
Este excelente comportamiento de resistencia a la corrosión de las aleaciones de níquel se manifiesta no solo en la pérdida de metal más baja, sino también en una mejor resistencia a la corrosión localizada, especialmente la corrosión de las picaduras/grietas, la corrosión intergranular y el agrietamiento por corrosión del estrés. En comparación con la corrosión uniforme, estas formas de corrosión localizada son las principales causas de falla de corrosión en la industria química.
La excelente resistencia a la corrosión de las aleaciones de níquel se debe en parte a la reactividad inherentemente menor de níquel (en relación con el hierro), como lo demuestra su potencial de oxidación más inerte en la serie de fuerza electromotriz (EMF). Al igual que el acero inoxidable, las aleaciones de níquel que contienen cromo tienen la capacidad de pasivarse (es decir, formar espontáneamente un óxido superficial delgado y resistente que actúa como un inhibidor de corrosión efectivo).
Otra ventaja del níquel sobre el hierro es que el níquel puede acomodar grandes proporciones de elementos de aleación sin formar fases frágiles. Las adiciones de aleación que mejoran la resistencia a la corrosión suelen ser cromo, molibdeno y cobre. El papel de los elementos de aleación se describe brevemente a continuación.
En la Tabla 3 se muestra una comparación de la resistencia a la corrosión de las aleaciones de níquel en condiciones comunes de medios en plantas químicas. Estas pautas generales no están destinadas a fines específicos y son solo un punto de partida para el proceso de selección de materiales.
La mayoría de las aleaciones de níquel se soldan utilizando soldadura por arco manual (SMAW), soldadura de arco de tungsteno de gas (GTAW) y soldadura de arco de metal de gas (GMAW). Las soldaduras de aleación de níquel son muy dúctiles, y sus bajas características de expansión térmica reducen las tensiones residuales y la deformación de flexión. Solo los grados de endurecimiento por precipitación requieren tratamiento térmico posterior a la solilla.
El proceso de soldadura para las aleaciones de níquel es muy similar al de los aceros inoxidables austeníticos. Sin embargo, dado que el grupo fundido de soldaduras ricas en níquel es más viscoso y tiene una penetración más pobre, puede ser necesario mejorar la forma de la articulación y la tecnología de soldadura para obtener una soldadura completamente penetrada. Las aleaciones de níquel son menos tolerantes a los contaminantes que los materiales de acero, lo que puede causar la fragilidad de soldadura.
La alta ductilidad, la baja tasa de expansión térmica y la capacidad de permitir la dilución de varios elementos metálicos de los materiales de soldadura ricos en níquel los hacen ampliamente utilizados en la soldadura de metales diferentes. Esto incluye no solo la soldadura de aleaciones a base de níquel con aleaciones a base de hierro, sino también la soldadura de acero inoxidable con acero al carbono y acero de aleación. Del mismo modo, las aleaciones de níquel se pueden soldar a la superficie del acero al carbono sin el riesgo de agrietarse.
