¿Por qué se prefiere la tubería sin costura Incoloy 27-7MO para ambientes extremos de agua de mar y alto contenido de cloro?

1. P: ¿Cuáles son las diferencias fundamentales de composición y propiedades entre las tuberías de aleación Incoloy 27-7MO y A-286?

A:Incoloy 27-7MO y A-286 son aleaciones de alto-rendimiento, pero sirven para aplicaciones fundamentalmente diferentes:-una es un acero inoxidable súper-austenítico para la corrosión acuosa, mientras que la otra es una superaleación a base de hierro que endurece por precipitación-para resistencia a altas temperaturas.

Incoloy 27-7MO (UNS S31277)es un acero inoxidable súper-austenítico diseñado para una resistencia extrema a la corrosión acuosa, particularmente en agua de mar y ambientes agresivos con cloruros. Su composición nominal es 27-29% níquel, 20-22% cromo, 6,0-7,0% molibdeno, 1,5-2,5% cobre, 0,25-0,35% nitrógeno y el resto hierro. La designación "27-7" se refiere a aproximadamente un 27 % de níquel y un 7 % de molibdeno. Esta aleación contiene un contenido muy alto de molibdeno (6–7 %) y nitrógeno (0,25–0,35 %), lo que le otorga un número equivalente de resistencia a las picaduras (PREN) excepcionalmente alto de 50–55-uno de los más altos de cualquier acero inoxidable austenítico disponible comercialmente. El alto contenido de níquel (27–29%) proporciona una excelente resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro. Incoloy 27-7MO es una solución sólida reforzada con un límite elástico típico de 50 a 65 ksi (345 a 448 MPa) a temperatura ambiente, más alto que los austeníticos estándar debido al fortalecimiento con nitrógeno. NO está diseñado para servicio a alta temperatura por encima de aproximadamente 600 grados F (316 grados).

A-286 (UNS S66286)es una superaleación a base de hierro-reforzada mediante endurecimiento por precipitación. Su composición nominal es 24-27% níquel, 13,5-16,0% cromo, 1,0-1,5% molibdeno, 1,9-2,35% titanio, 0,1-0,5% aluminio, 0,003-0,01% boro, 0,1-0,5% vanadio y hierro restante. Tenga en cuenta la presencia de titanio, aluminio y boro-estos elementos permiten el endurecimiento por precipitación mediante la formación de partículas gamma-primas (Ni₃(Al,Ti)). A-286 no es un acero inoxidable; Es una superaleación diseñada para resistencia a altas temperaturas y resistencia a la oxidación de hasta aproximadamente 1300 grados F (704 grados). El límite elástico típico después del tratamiento térmico es de 90 a 110 ksi (621 a 758 MPa) a temperatura ambiente, y cae a 70 a 80 ksi a 1200 grados F (649 grados). La aleación también contiene significativamente menos cromo (13,5-16%) que Incoloy 27-7MO, lo que la hace menos resistente a la corrosión acuosa.

Implicaciones metalúrgicas:Incoloy 27-7MO está diseñado paraservicio de corrosión acuosa húmeda, de temperatura baja-a-moderada (hasta 600 grados F/316 grados)en agua de mar, procesamiento químico y desulfuración de gases de combustión. No tiene una resistencia significativa a las altas temperaturas-ni a la oxidación. A-286 está diseñado paraservicio de alta-temperatura (hasta 1300 grados F/704 grados) con requisitos de alta resistenciaen aplicaciones aeroespaciales, de turbinas de gas y automotrices. Tiene sólo una resistencia moderada a la corrosión acuosa y se perforaría y corroería en agua de mar.

Seleccionando entre ellos:Si la aplicación implicaagua de mar, salmuera o cloruros ácidos a temperaturas moderadas con requisitos de resistencia moderados, elija Incoloy 27-7MO. Si la aplicación implicaAltas temperaturas (1000 a 1300 grados F / 538 a 704 grados) que requieren alta resistencia y resistencia a la oxidación., elija A-286. Existe una superposición mínima en sus dotación de servicios.

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2. P: ¿Qué estándares y especificaciones de la industria rigen los tubos sin costura de aleación Incoloy 27-7MO y A-286?

A:Estas dos aleaciones se rigen por marcos de especificaciones completamente diferentes: -marino/químico para 27-7MO y aeroespacial/turbina de gas para A-286.

Para tubería sin costura Incoloy 27-7MO:

ASTM B677/ASME SB677– Especificación estándar para tuberías sin costura de aleación de níquel-hierro-cromo-molibdeno-cobre-nitrógeno. Esta es la especificación principal para UNS S31277 y grados super-austeníticos similares.

ASTM B829– Requisitos generales para tuberías sin costura de aleación de níquel (complementarios de B677).

NORSOK M-630– Estándar noruego de petróleo y gas que incluye 27-7MO para servicio de agua de mar y salmuera.

Código ASME para calderas y recipientes a presión, Sección II, Parte D– Proporciona valores de tensión permitidos para S31277 a temperaturas de hasta aproximadamente 600 grados F (316 grados).

Para tubería sin costura A-286:

ASTM A453/ASME SA453– Especificación estándar para material de pernos de alta-temperatura, pero a menudo se extiende a tuberías y tubos con requisitos complementarios. Grado A, Clase B o C (dependiendo del tratamiento térmico) cubre A-286.

AM 5731– Especificación de materiales aeroespaciales para tubos sin costura A-286, tratados con solución y endurecidos por precipitación. Esta es la especificación más común para tuberías/tubos A-286 en aplicaciones aeroespaciales.

AM 5732– Similar al 5731 pero con menor dureza y mejor maquinabilidad.

Norma ASTM B983(a veces se hace referencia a él): tubería de aleación de níquel-endurecimiento por precipitación-hierro-cromo, aunque el A-286 se suministra con menos frecuencia como tubería que como barra o forjado.

Código ASME para calderas y recipientes a presión, Sección II, Parte D– Proporciona valores de tensión permitidos para A-286 (UNS S66286) a temperaturas de hasta 1300 grados F (704 grados).

Consideraciones de adquisición:La tubería sin costura Incoloy 27-7MO es un grado especial con fuentes de fabricación limitadas; Espere plazos de entrega de 12 a 18 semanas. La tubería sin costura A-286 también es un producto especializado, que generalmente se fabrica bajo pedido personalizado con plazos de entrega de 12 a 20 semanas. Para A-286, los compradores deben especificar la condición de tratamiento térmico deseada (tratado con solución y envejecido) y, para aplicaciones críticas, se requieren pruebas de tracción a temperatura elevada según las especificaciones de AMS.

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3. P: ¿Por qué se prefiere la tubería sin costura Incoloy 27-7MO para ambientes extremos de agua de mar y alto contenido de cloruro?

A:La tubería sin costura Incoloy 27-7MO representa el nivel más alto de resistencia a la corrosión por picaduras y grietas disponible en un acero inoxidable austenítico, lo que la convierte en el material elegido para las aplicaciones de servicio de agua de mar y salmuera más exigentes. Tres características específicas explican su superioridad.

En primer lugar, un número equivalente de resistencia a las picaduras (PREN) excepcionalmente alto.PREN se calcula como %Cr + 3.3×%Mo + 16×%N. Para Incoloy 27-7MO:

Cromo: 20-22%

Molibdeno: 6,0–7,0%

Nitrógeno: 0,25–0,35%

Esto produce un PREN de aproximadamente 50–55. En comparación:

Acero inoxidable 316L: PREN ∼24–26

Dúplex 2205: PREN ∼35–38

Incoloy 825: PREN ∼30–33

Incoloy 926 (6% mensual): PREN ∼40–45

Un PREN superior a 40 se considera excelente para el servicio de agua de mar. Un PREN superior a 50 es excepcional. Incoloy 27-7MO resiste la corrosión por picaduras y grietas en agua de mar a temperaturas de hasta aproximadamente 180 a 200 grados F (82 a 93 grados)-muy por encima de las temperaturas típicas del agua de mar. Esto lo hace adecuado para sistemas de enfriamiento de agua de mar en climas tropicales, así como para concentradores de salmuera y aplicaciones de agua salobre de alta temperatura donde otras aleaciones con 6% de Mo aún pueden experimentar un ataque localizado.

En segundo lugar, excelente resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro (SCC).Con entre un 27% y un 29% de níquel, Incoloy 27-7MO tiene un contenido de níquel significativamente mayor que los grados superausteníticos estándar (Incoloy 926 tiene entre un 24% y un 26% de Ni). Un mayor contenido de níquel proporciona un mayor margen de seguridad contra el cloruro SCC. La aleación resiste el SCC en todas las temperaturas encontradas en servicios acuosos, incluidas salmueras concentradas, condensados ​​de vapor con arrastre de cloruro y condiciones atmosféricas marinas con niebla salina.

En tercer lugar, mayor resistencia que las aleaciones estándar con 6 % de Mo.El elevado contenido de nitrógeno (0,25 a 0,35 %) proporciona fortalecimiento de la solución sólida, lo que le da a Incoloy 27-7MO límites elásticos típicos de 50 a 65 ksi (345 a 448 MPa), aproximadamente 30 a 40 % más altos que las aleaciones estándar de 6 % de Mo (que generalmente producen 35 a 45 ksi). Esta mayor resistencia permite secciones de tubería de pared más delgada, lo que reduce el peso y el costo en algunas aplicaciones.

Rendimiento comparativo:En una planta desalinizadora de agua de mar por ósmosis inversa (SWRO), corriente de salmuera de alta-presión a 160 grados F (71 grados) con 70 000 ppm de cloruros:

Duplex 2205 experimenta corrosión en grietas en un plazo de 6 a 12 meses

Incoloy 926 (6% Mo) puede sobrevivir de 2 a 3 años, pero se inician picaduras en las juntas.

Incoloy 27-7MO proporciona 10+ años de servicio sin picaduras detectables

Aplicaciones típicas:Tuberías de alta-presión de ósmosis inversa de agua de mar (SWRO), concentradores de salmuera, sistemas de extinción de incendios en plataformas marinas (ubicaciones tropicales), sistemas de enfriamiento de agua de mar en plantas de energía (una vez-atravesando y recirculando), líneas de carga de camiones cisterna para productos químicos que manejan salmueras agresivas y sistemas de reactores farmacéuticos que requieren máxima resistencia al cloruro.

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4. P: ¿Por qué se utilizan tuberías de aleación A-286 en aplicaciones aeroespaciales y de turbinas de gas a pesar de su contenido moderado de cromo?

A:Los tubos de aleación A-286 han sido un material de batalla en aplicaciones aeroespaciales, de turbinas de gas y de turbocompresores de automóviles desde la década de 1950 debido a su combinación única deresistencia a altas-temperaturas, fabricabilidad y rentabilidad-. Tres características específicas explican su perdurable popularidad.

Primero, la precipitación-endureció la resistencia hasta 1300 grados F (704 grados).A través de un tratamiento térmico controlado de dos-pasos (recocido de solución a 1800 grados F/982 grados seguido de envejecimiento a 1325 grados F/718 grados y 1150 grados F/621 grados), A-286 desarrolla una fina dispersión de precipitados gamma-prime (Ni₃(Al,Ti)). Estos precipitados son coherentes con la matriz austenítica, proporcionando un fortalecimiento sustancial sin fragilización. Los límites elásticos típicos son de 90 a 110 ksi (621 a 758 MPa) a temperatura ambiente y, lo que es más importante, la aleación retiene entre el 70 y el 80 % de esta resistencia a 1200 grados F (649 grados). Esta combinación no tiene comparación con los aceros inoxidables austeníticos estándar (que se ablandan rápidamente por encima de los 1000 grados F/538 grados) y compite favorablemente con superaleaciones a base de níquel más caras como Inconel 718 a temperaturas inferiores a 1300 grados F.

En segundo lugar, buena resistencia a la oxidación por su nivel de cromo.Con solo entre 13,5 y 16 % de cromo, el A-286 no sería seleccionado para un servicio de oxidación extrema. Sin embargo, para temperaturas de hasta 1300 grados F (704 grados), este nivel de cromo es adecuado para formar una incrustación protectora de óxido de cromo. La aleación también se beneficia de pequeñas adiciones de aluminio (0,1–0,5%), lo que mejora aún más la resistencia a la oxidación. En las tuberías de descarga del compresor de turbina de gas (normalmente entre 800 y 1200 grados F/427 y 649 grados), el A-286 proporciona una excelente vida útil sin la necesidad de aleaciones con mayor contenido de cromo (y más caras).

En tercer lugar, excelente fabricabilidad y soldabilidad.A diferencia de muchas superaleaciones que endurecen-por precipitación y que son propensas a agrietarse-por deformación, la A-286 se puede soldar en estado de solución-recocida y posteriormente envejecer. La menor templabilidad de la aleación en comparación con las superaleaciones a base de níquel la hace más tolerante durante la soldadura y el conformado. Esto lo ha convertido en uno de los favoritos para componentes fabricados como colectores de escape, carcasas de turbocompresores y cajas de compresores de motores a reacción. La aleación también se mecaniza razonablemente bien en estado envejecido, aunque el desgaste del utillaje es mayor que el de los aceros inoxidables estándar.

Rendimiento comparativo en aplicaciones de turbocompresor:En un turbocompresor de motor diésel que funciona a 1250 grados F (677 grados) con carga térmica cíclica:

Acero inoxidable 304H: resistencia inadecuada, la deformación por fluencia provoca la deformación de la carcasa en 1 o 2 años

Inconel 718: excelente rendimiento pero alto costo (3–5× A-286) y difícil de fabricar

A-286: proporciona de 5 a 8 años de servicio a un costo de aproximadamente 1,5 a 2 veces el del 304H

Aplicaciones típicas:Cajas de compresores de motores a reacción y conductos de aire de purga, tuberías de descarga de compresores de turbinas de gas, carcasas de turbocompresores de motores diésel y ruedas de turbinas, válvulas y colectores de escape para automóviles (aplicaciones de alto-rendimiento), sujetadores y pernos aeroespaciales (ASTM A453 Grado A) y pernos y espárragos de turbinas de vapor.

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5. P: ¿Cuáles son los requisitos críticos de soldadura y tratamiento térmico para las tuberías de aleación Incoloy 27-7MO versus A-286?

A:Soldar estas dos aleaciones requiere enfoques fundamentalmente diferentes.-Incoloy 27-7MO es una solución sólida-reforzada con buena soldabilidad (con precauciones para mantener la resistencia a las picaduras), mientras que A-286 se endurece por precipitación y requiere envejecimiento posterior a la soldadura para lograr su máxima resistencia.

Para tubería Incoloy 27-7MO (super-austenítica, solución sólida):

Selección del metal de aportación:UsarERNiCrMo-3(Inconel 625) oERNiCrMo-10(Inconel 622) como rellenos estándar. El relleno debe igualar o exceder el contenido de molibdeno del metal base (6–7%) para mantener la resistencia a las picaduras.ERNiCrMo-4(C-276) también es aceptable. Nunca utilice rellenos de acero inoxidable (308L, 316L): crean una celda de corrosión galvánica y carecen de molibdeno.

Control de entrada de calor:Temperatura máxima entre pasadas: 250 grados F (121 grados). Aporte de calor limitado a 20 a 40 kJ/pulgada (8 a 16 kJ/cm). Una mayor entrada de calor puede causar precipitación de fase rica en molibdeno-(fases sigma o chi), lo que reduce la resistencia a las picaduras en un 50 % o más. Utilice cuentas de hilo en lugar de tejer.

Limpieza previa-a la soldadura:Limpiar con acetona o un cepillo específico de acero inoxidable. Utilice muelas abrasivas reservadas para aleaciones de níquel. Elimine toda la contaminación del acero al carbono.-Las partículas de hierro incrustadas se oxidarán e iniciarán picaduras.

Tratamiento térmico posterior-a la soldadura (generalmente no es necesario):Para la mayoría de las aplicaciones, Incoloy 27-7MO se utiliza tal como está soldado. Para obtener una máxima resistencia a la corrosión en ambientes severos (p. ej., agua de mar cálida con condiciones estancadas), un recocido en solución a 1950–2050 grados F (1066–1121 grados) seguido de un enfriamiento rápido con agua restaura la resistencia total a las picaduras. Esto rara vez se realiza en tuberías debido a los riesgos de distorsión.

Para tubería A-286 (endurecimiento por precipitación):

Selección del metal de aportación:UsarMasilla a juego A-286(a menudo designado como ERNiCrFe-? o propietario). Este relleno contiene titanio y aluminio para permitir el endurecimiento por precipitación en el depósito de soldadura. Nunca utilice rellenos de acero inoxidable estándar o rellenos de níquel comunes como ERNiCr-3; no lograrán la resistencia requerida a altas temperaturas.

Control de entrada de calor:Temperatura máxima entre pasadas: 200 grados F (93 grados). Aporte de calor limitado a 15 a 30 kJ/pulgada (6 a 12 kJ/cm). Un menor aporte de calor minimiza el ancho de la zona afectada por el calor-y reduce las tensiones residuales.

Condición previa-a la soldadura:Suelde siempre en la solución-en estado recocido (suave)-nunca en estado envejecido. Soldar material envejecido provoca grietas por deformación-en la zona afectada por el calor-.

El tratamiento térmico posterior-a la soldadura es obligatorio para un servicio con plena resistencia:

recocido en solución(si es necesario después de soldar): 1800 grados F (982 grados) durante 1 hora por pulgada de espesor, seguido de un enfriamiento rápido (enfriamiento con aire o aceite)

Tratamiento de envejecimiento:Calentar a 1325 grados F (718 grados), mantener durante 16 horas, enfriar el horno a 1150 grados F (621 grados) a un máximo de 200 grados F (93 grados)/hora, mantener durante 16 horas y luego enfriar al aire.

Sin envejecimiento post-soldadura, la junta soldada tiene un límite elástico de solo 40 a 50 ksi (276 a 345 MPa),-completamente inadecuado para servicios aeroespaciales o de turbinas de gas que requieren 90+ ksi.

Advertencias críticas:

Para Incoloy 27-7MO:No utilice rellenos de acero inoxidable:-carecen de molibdeno y crearán una zona de soldadura propensa a la corrosión-. No sobrecalentar-La formación de la fase sigma es irreversible sin un recocido completo de la solución. No utilice muelas abrasivas contaminadas.-Las partículas de acero al carbono incrustadas causan picaduras.

Para la A-286:Nunca suelde sin un procedimiento calificado. Nunca suelde en estado antiguo. Nunca omita el envejecimiento posterior a la soldadura en el caso de componentes que contengan presión o que estén a alta temperatura. La sensibilidad de la aleación al agrietamiento por deformación-edad requiere un cuidadoso control de la velocidad de rampa del tratamiento térmico. El contenido de boro (0,003–0,01 %) mejora la resistencia a la fluencia pero aumenta la susceptibilidad al agrietamiento en caliente.-Controle la entrada de calor con cuidado.

Requisitos de calificación:

Para Incoloy 27-7MO en servicio con agua de mar, la calificación del procedimiento de soldadura debe incluir pruebas de corrosión por picaduras según ASTM G48 (cloruro férrico) a temperatura elevada (normalmente 104 grados F/40 grados) para verificar que las zonas soldadas y afectadas por el calor-mantengan un rendimiento equivalente a PREN.

Para A-286 en servicio aeroespacial o de turbinas de gas, la calificación del procedimiento de soldadura debe incluir pruebas de tracción a temperatura elevada-(a la temperatura de servicio prevista) y, para aplicaciones críticas, pruebas de rotura por fluencia. Las especificaciones de AMS normalmente requieren una inspección radiográfica del 100% de todas las soldaduras.