El estirado en frío, el laminado en frío, el doblado en frío, la expansión en frío y la torsión en frío son métodos comunes de procesamiento para la fabricación de tuberías de acero inoxidable o tuberías de acero resistentes al calor para intercambiadores de calor, etc., utilizando tuberías de acero inoxidable sin soldadura o soldadas. La excelente plasticidad del acero inoxidable, especialmente del acero inoxidable austenítico, facilita la realización de estos procesos de deformación en frío; sin embargo, todos ellos, al igual que la soldadura, inevitablemente afectan el rendimiento de las tuberías de acero inoxidable, en particular su resistencia a la corrosión y al calor. Eliminar, reducir o controlar estos daños ha sido siempre un objetivo prioritario en la fabricación y el procesamiento posterior de tuberías de acero inoxidable. El tratamiento térmico de solubilización o recocido previo a la entrega es la forma más eficaz de eliminar los efectos nocivos de la deformación en frío. No obstante, este método requiere, por un lado, calentamiento a alta temperatura y decapado, lo que incrementa significativamente el costo de fabricación y el ciclo de producción. Además, existen problemas como la descarga, el tratamiento y la evaluación de gases y aguas residuales, como la niebla ácida. Por lo tanto, algunos fabricantes omiten este proceso para reducir costos o cumplir con los plazos de entrega. Algunos usuarios compran estos productos para ahorrar dinero, lo cual es sumamente imprudente y poco rentable. Por otro lado, puede resultar difícil implementar este proceso para ciertos productos o en determinadas condiciones de aplicación. En consecuencia, controlar el grado de deformación por trabajo en frío y realizar un recocido localizado de alivio de tensiones a baja temperatura se han convertido en dos métodos prácticos para reducir o controlar sus efectos nocivos, pero sus condiciones de aplicación, incluyendo las diferencias entre los tipos de acero, aún son objeto de debate.
1. Daños y eliminación del trabajo en frío en el rendimiento de las tuberías de acero inoxidable
1.1 El deterioro del rendimiento de las tuberías de acero inoxidable debido al trabajo en frío logrado mediante deformación plástica a temperatura ambiente provocará endurecimiento por trabajo en frío, es decir, aumentará la dureza y la resistencia del material, y se perderá parcial o totalmente la plasticidad original del material, lo que inevitablemente dañará la resistencia a la corrosión o la resistencia al calor del material.
1.2 Métodos para eliminar los daños
El tratamiento térmico de solubilización final de las tuberías de acero inoxidable austenítico y dúplex antes de su entrega, y el tratamiento térmico de recocido final de las tuberías de acero inoxidable ferrítico antes de su entrega, tienen como objetivo eliminar eficazmente el deterioro del rendimiento causado por el trabajo en frío, la soldadura y otros procesos de trabajo en caliente. Por ello, las normas para tuberías de acero inoxidable de la mayoría de los países, especialmente las normas europeas unificadas, estipulan que todas las tuberías sin soldadura de acero inoxidable deben suministrarse en estado de solubilización o recocido. Algunos usuarios nacionales han informado de que las tuberías sin soldadura de acero inoxidable austenítico 316L presentan corrosión por picaduras tras su inmersión en agua de mar (si bien el 316L no es un material idóneo para la corrosión o inmersión en agua de mar, no es habitual encontrar corrosión por picaduras tras una sola inmersión). Un tratamiento de solubilización final deficiente o inadecuado suele resultar en un producto de baja calidad. El tratamiento térmico de solubilización o recocido final es un proceso fundamental e indispensable en la fabricación de tuberías sin soldadura de acero inoxidable.
2. Curvado en frío y tratamiento térmico de alivio de tensiones de tuberías de acero inoxidable
El curvado en frío es un método común de procesamiento en frío para tuberías de acero inoxidable, que pueden realizar fabricantes de tuberías, usuarios o fabricantes de accesorios. La conveniencia y el método de tratamiento térmico para aliviar tensiones después del curvado en frío suelen ser motivo de controversia entre fabricantes y usuarios. Si bien este tema se encuentra estipulado en normas internacionales para tuberías, existen algunos puntos que merecen ser analizados.
2.1 Tratamiento térmico de doblado en frío y alivio de tensiones de tuberías de acero inoxidable
El curvado en frío es un método común de procesamiento en frío para tuberías de acero inoxidable, que pueden realizar fabricantes de tuberías, usuarios o fabricantes de accesorios. La conveniencia y el método de tratamiento térmico para aliviar tensiones después del curvado en frío suelen ser motivo de controversia entre fabricantes y usuarios. Si bien este tema se encuentra estipulado en normas internacionales para tuberías, existen algunos puntos que merecen ser analizados.
2.2 Para aplicaciones que soportan cargas cíclicas o entornos de corrosión bajo tensión
En aplicaciones que soportan cargas cíclicas o corrosión bajo tensión, las normativas europeas y estadounidenses difieren ligeramente. La norma estadounidense estipula que, para materiales con requisitos de ensayo de impacto, se debe realizar un tratamiento de alivio de tensiones o de solución sólida cuando la elongación máxima calculada de la fibra sea del 5 % tras el doblado o cuando existan otros requisitos. Los tubos en U utilizados en intercambiadores de calor, como calentadores de agua de alimentación y condensadores en centrales eléctricas que operan con fluidos de agua/vapor a alta temperatura y presión, son sensibles a la corrosión bajo tensión debido a la presencia de iones cloruro y oxígeno en el fluido. Por lo tanto, las dos únicas normas estadounidenses (ASTM A688/A688M y A803/A803M) para tuberías de acero inoxidable sin soldadura y soldadas para calentadores de agua de alimentación, y la norma japonesa JIS G3463 para tuberías de acero inoxidable para calderas e intercambiadores de calor, estipulan que los usuarios pueden exigir que los tubos en U se sometan a un tratamiento térmico de alivio de tensiones localizado tras el doblado. La norma francesa de fabricación de reactores nucleares RCC-M3319 estipula que los tubos en forma de U deben pasar la prueba de corrosión bajo tensión de MgCl2 después de doblarse para determinar si se requiere un tratamiento térmico de alivio de tensiones después del doblado.
3. Tubos helicoidales e intercambiadores de calor helicoidales
En el extranjero se utiliza un intercambiador de calor compuesto por tubos helicoidales (tubos helicoidales trabajados en frío, TwistedTube). Sus características principales son que un único tubo de acero se helicoidaliza a 60° por paso, y siete tubos de acero forman una unidad de intercambiador de calor helicoidal. Se dice que sus ventajas son una estructura compacta, una alta eficiencia térmica y la reducción de la zona muerta por estancamiento del flujo externo. Es una estructura ideal para intercambiadores de calor en espacios reducidos. Los cálculos y análisis muestran que la deformación plástica producida por el trabajo en frío mediante torsión es solo del 4 % al 14 %, y su temperatura de trabajo no supera los 540 °C. De acuerdo con las disposiciones del Código ASME de Calderas y Recipientes a Presión, no se requiere recocido de alivio de tensiones. Sin embargo, después de realizar pruebas de corrosión bajo tensión según la norma ASTMG36, se ha demostrado que los tubos helicoidales de acero inoxidable austenítico 316 y 321 deben someterse a un recocido de alivio de tensiones o a un recocido de solución para obtener una buena resistencia a la corrosión bajo tensión, y el rendimiento de las tuberías de acero inoxidable 321 es mucho mejor que el de las tuberías de acero inoxidable 316.
4. Tubos trenzados y tubos en U de acero inoxidable dúplex
Los resultados de ensayos realizados en el extranjero han demostrado que no es apropiado realizar un recocido de alivio de tensiones en tubos helicoidales o en U de acero inoxidable dúplex. Los resultados actuales exigen un valor R ≥ 5,33d0 para tuberías de acero inoxidable dúplex 2205, pero un valor R ≥ 1,5d0 para tuberías de acero inoxidable superdúplex 2507. Las razones son: 1. El acero inoxidable dúplex presenta una excelente resistencia a la corrosión por picaduras y a la corrosión bajo tensión; cuanto mayor sea el valor PRE equivalente a la corrosión por picaduras, mejor será la resistencia a la corrosión bajo tensión del material. 2. El recocido de alivio de tensiones localizado a baja temperatura afecta el equilibrio de fases y los compuestos intermetálicos de la matriz; es decir, la precipitación de fases frágiles provoca un mayor deterioro de la resistencia a la corrosión. Estos resultados de investigación demuestran que las tuberías de acero inoxidable dúplex pueden ser un material más adecuado para intercambiadores de calor, y también fundamentan la necesidad de que la Sociedad Americana de Soldadura (AWS) y la norma ASME B31.3 sean muy rigurosas con sus regulaciones de tratamiento térmico.
5. Método de recocido para el alivio de tensiones en tubos en forma de U
Tanto los métodos nacionales como los extranjeros utilizan calentamiento por resistencia o calentamiento localizado en el horno para realizar un recocido de alivio de tensiones en tubos en forma de U, pero la eficacia y la conveniencia de cada método suelen ser motivo de controversia. Los últimos resultados de investigaciones en Estados Unidos demuestran que el calentamiento por resistencia es un método más razonable y eficaz. Las razones son las siguientes: ① Se puede introducir corriente alterna de frecuencia industrial directamente desde el punto de corte del tubo en forma de U, a 250 mm de distancia, a través del electrodo de sujeción, y la sección doblada del tubo puede calentarse a 1010-1065 °C en poco tiempo (unos 10 s), con un consumo energético muy bajo; ② Se puede utilizar un pirómetro óptico para controlar automáticamente la temperatura de la zona de calentamiento; ③ La pared interior se llena con gas argón para prevenir eficazmente la oxidación; ④ Tras el calentamiento, se puede utilizar refrigeración por aire forzado para enfriar rápidamente por debajo de 425 °C en 2-3 minutos, obteniéndose una película de óxido fina y densa, de color amarillo o azul claro, que cumple con los requisitos de uso de alta calidad sin necesidad de decapado.
6. Conclusión
(1) Los procesos en frío, como el estirado y el laminado en frío, provocan endurecimiento por frío del acero inoxidable, especialmente del austenítico, e inducen dislocaciones en la red cristalina, transformación martensítica, precipitación de carburos, aumento del magnetismo y tensiones residuales, reduciendo así su resistencia a la corrosión. El recocido o el tratamiento térmico de solubilización posterior al trabajo en frío pueden eliminar eficazmente estos efectos adversos; por lo tanto, las tuberías sin soldadura de acero inoxidable austenítico y las tuberías soldadas de acero inoxidable sometidas a un proceso profundo de trabajo en frío deben suministrarse en estado de solubilización o recocido para garantizar eficazmente su resistencia a la corrosión.
(2) Además de la corrosión bajo tensión y las condiciones ambientales que presentan riesgo de fatiga por corrosión debido a tensiones alternas, controlar el grado de deformación en frío es otra forma de evitar sus efectos adversos. Esto es especialmente importante para procesos de deformación en frío localizados, como el doblado y la expansión en frío, que son difíciles de recocer. Siempre que el radio de curvatura en frío de las tuberías de acero inoxidable austenítico se mantenga en al menos 1,5d0, y el de las tuberías de acero inoxidable ferrítico y dúplex en más de 2,5d0, generalmente no es necesario realizar un recocido de alivio de tensiones después del doblado en frío.
(3) Para las curvas que requieren resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, como las curvas de acero inoxidable austenítico en forma de U para intercambiadores de calor que trabajan en condiciones de agua o vapor a alta temperatura y alta presión, se debe realizar un recocido de alivio de tensión efectivo después del doblado en frío, independientemente del tamaño del radio de doblado en frío.
(4) El acero inoxidable 06Cr19Ni11Ti (321) presenta mayor resistencia a la corrosión bajo tensión que el 316L y es un material más adecuado para tuberías de acero austenítico en intercambiadores de calor de tubos en U. Los tubos en U de acero inoxidable dúplex no son adecuados ni deben someterse a un tratamiento térmico de alivio de tensiones localizado después del doblado o torsión en frío.
(5) Los tubos de acero inoxidable trenzados en frío pueden formar un nuevo tipo de intercambiador de calor con una estructura compacta y una mayor eficiencia de intercambio de calor, lo que merece la atención de los departamentos de diseño y aplicación pertinentes para su exploración y desarrollo.
(6) Los tubos en U de acero inoxidable dúplex no son adecuados o no deben someterse a un recocido de alivio de tensiones local después del doblado o torsión en frío.
(7) El calentamiento por resistencia es un método de tratamiento térmico de alivio de tensiones local que ahorra más energía y tiempo que el calentamiento indirecto en el horno, es fácil de controlar automáticamente y debe promoverse como una prioridad.
(8) Las normas europeas y estadounidenses para tuberías (ASMEB31.1-2012, ASMEB31.3-2012, BSEN13480-4:2012) tienen algunas regulaciones actualizadas y detalladas sobre el tratamiento térmico de tuberías de acero inoxidable después del conformado en frío/caliente, que merecen una gran atención.
Fecha de publicación: 6 de noviembre de 2024