1. Introducción
El acero al cromo-molibdeno, también conocido como acero resistente al hidrógeno de temperatura media, se refiere al tipo de acero que mejora significativamente su resistencia a altas temperaturas y su límite de fluencia al agregar elementos de aleación como Cr (≤10%) y Mo.
También tiene una excelente resistencia a la corrosión por hidrógeno y rendimiento a altas temperaturas, lo que lo hace ampliamente utilizado en refinación de petróleo, dispositivos químicos de hidrógeno y equipos de alta temperatura.
Es uno de los tipos comunes de acero utilizados en recipientes a presión.
Este artículo analiza las características de los materiales de acero al cromo-molibdeno y las consideraciones en el diseño, la fabricación, las pruebas no destructivas, el tratamiento térmico y las operaciones de arranque/parada en el contexto del Proyecto de Síntesis de Metanol de Jiutai.
2. Características básicas del acero al cromo molibdeno.
2.1 Resistencia al calor
La adición de elementos como cromo, molibdeno y alumbre mejora la resistencia a la oxidación y la resistencia a altas temperaturas del acero.
El mecanismo de acción es el siguiente: el cromo existe principalmente en la cementita (Fe3C), y el cromo disuelto en la cementita aumenta la temperatura de descomposición de los carburos, evitando la grafitización, aumentando así la resistencia al calor del acero.
El molibdeno tiene un efecto fortalecedor de la solución sólida sobre la ferrita y también puede aumentar la estabilidad de los carburos, lo que beneficia la resistencia del acero a altas temperaturas.
La inclusión de una cantidad adecuada de vanadio permite que el acero mantenga una estructura de grano fino a temperaturas más altas, aumentando la estabilidad térmica y la resistencia del acero.
2.2 Resistencia a la corrosión por hidrógeno
Elementos como el cromo y el molibdeno aumentan la estabilidad de los carburos, evitando su descomposición, reduciendo así la posibilidad de formación de metano debido a la reacción de los carburos y el carbono precipitado con el hidrógeno.
La adición de vanadio permite que el acero mantenga una estructura de grano fino a temperaturas más altas, lo que aumenta significativamente la estabilidad del acero en condiciones de alta temperatura y presión.
2.3 Templar la fragilidad
La fragilización por temple del acero al cromo-molibdeno se refiere al fenómeno en el que la resistencia al impacto del acero disminuye cuando se opera durante un período prolongado en el rango de temperatura de 370°C a 595°C.
Este es el rango de temperatura exacto dentro del cual opera nuestro equipo de hidrógeno de uso común. Los estudios experimentales han demostrado que en el acero al cromo-molibdeno para recipientes a presión, la fragilidad por temple es más grave cuando el contenido de cromo está entre el 2% y el 3%.
Elementos como el fósforo, el antimonio, el estaño, el arsénico, el silicio y el manganeso tienen un impacto significativo en la extinción de la fragilidad. La fragilización es reversible; Los materiales que han sido severamente fragilizados pueden desfragmentarse mediante un tratamiento térmico adecuado.
2.4 Alta tendencia a la fragilidad, que puede generar fisuras retardadas
Debido a la adición de elementos de aleación como cromo, molibdeno y vanadio, se reduce la velocidad de enfriamiento crítica del acero, aumentando la estabilidad de la austenita sobreenfriada.
Si la velocidad de enfriamiento de la soldadura es rápida, es poco probable que ocurra la transformación de austenita en perlita en la zona sobrecalentada de la zona afectada por el calor.
En cambio, se transforma en martensita a temperaturas más bajas, formando una estructura templada.
Bajo la acción combinada de tensiones residuales complejas en la unión soldada y el hidrógeno difundido, la estructura templada en el área de soldadura y la zona afectada por el calor es altamente susceptible al agrietamiento retardado inducido por el hidrógeno.
3. Consideraciones de diseño
3.1 Elección de materiales
En condiciones operativas específicas, los materiales seleccionados no sólo deben tener una resistencia superior a la corrosión por hidrógeno, sino también controlar eficazmente la tendencia a templar la fragilidad.
También deben tener buena soldabilidad. La composición química determina la estructura, la estructura determina el rendimiento y el rendimiento determina el uso. En última instancia, la clave está en controlar la composición química.
3.1.1 Medidas contra la corrosión por hidrógeno
El acero al cromo-molibdeno no sufre corrosión por hidrógeno, incluso bajo alta presión y temperaturas más bajas (~200°C). Sin embargo, puede sufrir corrosión por hidrógeno cuando funciona en entornos de hidrógeno de alta temperatura y alta presión.
Normalmente, seleccionamos materiales de acero al cromo molibdeno para condiciones operativas específicas según la curva de Nelson, que corresponde a la temperatura de funcionamiento y la presión parcial del hidrógeno.
Como puede verse en la curva de Nelson, cuanto mayor sea el contenido de cromo y molibdeno, mayor será la resistencia a la corrosión por hidrógeno.
En la curva, si las condiciones de funcionamiento del recipiente están por encima de la línea continua, indica la aparición de corrosión por hidrógeno. Si están por debajo de la línea continua, indica que no se producirá corrosión por hidrógeno.
3.1.2 Medidas para controlar la tendencia a templar la fragilidad
Al regular el contenido de elementos como P, Sb, Sn, As, Si, Mn en el material, se puede controlar la tendencia a la fragilidad por temple.
Para este propósito se utilizan típicamente el coeficiente de sensibilidad a la fragilidad por temple J del acero común y el coeficiente de sensibilidad a la fragilidad por temple x del metal de soldadura. Para el 2,25Cr-1Mo de uso común, se utilizan los siguientes índices de control:
- J=(Si+Mn)x(P+Sn)x10≤150; Los elementos se reemplazan por porcentaje en peso.
- X=(10P+5Sb+4Sn+As)/100≤15ppm; Los elementos se reemplazan por x10 (ppm).
En aplicaciones prácticas de ingeniería, también es necesario controlar el contenido de oligoelementos Cu y Ni. El contenido de Cu no debe exceder el 0,20% y el contenido de Ni no debe exceder el 0,30%.
3.1.3 Determinación de la sensibilidad al agrietamiento
La sensibilidad al agrietamiento está relacionada con el carbono equivalente, cuyo valor debe ser determinado por el fabricante en función de la evaluación del proceso de soldadura.
El método de cálculo es: Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15.
A medida que aumenta el valor del carbono equivalente, la soldabilidad del acero se deteriora. Cuando el valor Ceq es superior al 0,5%, la sensibilidad al agrietamiento en frío aumenta y los procesos de soldadura y tratamiento térmico se vuelven más rigurosos.
Para materiales de acero Cr-Mo comúnmente utilizados con 485Mpa ≤ UTS <550Mpa, Ceq generalmente se limita a aproximadamente 0,48%.
Cuando se realiza una soldadura simulada y un tratamiento térmico posterior a la soldadura en placas de prueba de soldadura del producto, el equivalente máximo de carbono se puede aumentar al 0,5 %.
3.2 Estructura
Debido a la alta tendencia al endurecimiento del acero Cr-Mo, es propenso a agrietarse y a agrietarse retardadamente en las soldaduras de las esquinas.
Por tanto, el diseño estructural debe prestar atención a los siguientes puntos:
3.2.1 Reducir el grado de restricción y diseñar razonablemente la estructura conjunta.
3.2.2 La superficie de soldadura no debe tener rebajes.
3.2.3 El refuerzo de los orificios debe implementarse en su conjunto y no se deben utilizar estructuras de refuerzo de anillos.
3.2.4 No se deben utilizar boquillas de tipo extensión interna.
3.2.5 La conexión con accesorios debe adoptar una estructura de doble penetración total y no se deben utilizar soldaduras de esquina.
3.2.6 La junta a tope del cilindro debería utilizar preferentemente una ranura en forma de U.
3.3 Soldadura
El acero Cr-Mo tiene un valor equivalente de carbono más alto y generalmente tiene tendencia a agrietarse en frío en diversos grados. Esto se puede evitar con las siguientes medidas:
3.3.1 Controle estrictamente el contenido de hidrógeno en la varilla de soldadura y utilice un electrodo básico con bajo contenido de hidrógeno.
3.3.2 El precalentamiento debe realizarse antes de soldar el conjunto del equipo. Mediante el precalentamiento, se puede reducir la velocidad de enfriamiento del material de soldadura para evitar la formación de estructuras duras y quebradizas.
La temperatura de precalentamiento se determina evaluando el proceso de soldadura. Antes de evaluar el proceso de soldadura, se debe realizar una prueba de fisura de soldadura en la muestra para determinar la temperatura de precalentamiento, la cual no debe ser inferior a la temperatura de precalentamiento durante todo el proceso de soldadura.
Al mismo tiempo, se debe controlar la temperatura de la capa intermedia para que no sea inferior a la temperatura de precalentamiento. Se deben tomar medidas de poscalentamiento inmediatamente después de soldar.
3.4 Ensayos no destructivos
Cada lámina de acero Cr-Mo utilizada en el revestimiento debe someterse a pruebas ultrasónicas.
Para recipientes de reacción de paredes gruesas, alta temperatura y alta presión, después de una inspección radiográfica del 100% de las juntas a tope, se deben realizar pruebas ultrasónicas y pruebas adicionales de partículas magnéticas en las juntas soldadas permitidas para pruebas ultrasónicas después del tratamiento térmico y pruebas hidrostáticas.
Las pruebas ultrasónicas son más sensibles a grietas y defectos que las pruebas radiográficas, por lo que deben realizarse con cuidado, considerando el momento de las pruebas no destructivas.
3.5 Tratamiento térmico post-soldadura
Durante el proceso de fabricación del contenedor, el gas hidrógeno puede infiltrarse en el metal, provocando pequeñas grietas en el acero, un fenómeno conocido como fragilización por hidrógeno.
Para evitar la fragilización por hidrógeno, se debe realizar inmediatamente un tratamiento de deshidrogenación post-soldadura.
El tratamiento de deshidrogenación implica calentar la soldadura y el material base circundante a una temperatura alta inmediatamente después de la soldadura, aumentando así el coeficiente de difusión del hidrógeno en el acero.
Esto estimula la liberación de átomos de hidrógeno sobresaturados en el metal de soldadura, inhibiendo así la aparición de grietas en frío. El tratamiento de deshidrogenación puede considerarse innecesario si el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) se realiza inmediatamente después de la soldadura.
Los recipientes de cualquier espesor fabricados en Cr-Mo deben someterse a un tratamiento térmico general post-soldadura. El tratamiento térmico posterior a la soldadura del acero Cr-Mo no solo elimina la tensión residual sino que también mejora las propiedades mecánicas del acero, lo que resulta ventajoso para resistir la corrosión por hidrógeno.
3.6 Procedimientos de inicio y apagado
El acero Cr-Mo puede sucumbir a una falla frágil cuando su temperatura de funcionamiento es baja o cercana a la temperatura de transición de dúctil a frágil y la tensión alcanza un cierto nivel.
Sin embargo, tal falla es casi evitable cuando la tensión real en el recipiente es menor que una quinta parte del límite elástico del acero Cr-Mo.
Por lo tanto, para recipientes a presión hechos de acero Cr-Mo, se debe adoptar un procedimiento de aumentar la temperatura antes de la presión durante el arranque y reducir la presión antes de la temperatura durante el apagado para evitar fallas por fragilidad.
4. Elegir el estrés permitido
Mediante la implementación de materiales de acero Cr-Mo estándar internacional
Debido a las discrepancias en la determinación del factor de seguridad y los métodos de cálculo entre las normas nacionales e internacionales para la tensión permitida del material, cuando se utilizan materiales de acero Cr-Mo de normas internacionales, se deben aplicar las reglas nacionales para el cálculo de la tensión permitida.
Tomando como ejemplo SA387Cr.11G1.2, el cálculo de su tensión permitida es el siguiente:
Primero, obtenga la resistencia a la tracción y el límite elástico a varias temperaturas para el material de ASME.
La tensión permitida a temperatura ambiente es la menor entre la resistencia a la tracción a temperatura ambiente dividida por 3,0 y el límite elástico dividido por 1,5.
Como no hay datos sobre la resistencia a la tracción a altas temperaturas en el mercado interno, la tensión permitida a altas temperaturas se obtiene dividiendo el límite elástico a altas temperaturas por 1,6.
Si el valor calculado es mayor que el voltaje permitido a temperatura ambiente, adopte el valor de temperatura ambiente. De lo contrario, utilice el valor calculado.
La tensión permitida de ASME de este material revela que cuando la temperatura excede los 450°C, la tensión permitida cae rápidamente, momento en el cual el límite de fluencia gobierna la tensión permitida.
Dado que ASME no proporciona datos de límite de fluencia por encima de 450 °C y los factores de seguridad para el límite de fluencia en las normas nacionales y ASME son consistentes, adoptamos directamente la tensión permitida de ASME. La tensión específica permitida a la temperatura de diseño se puede obtener mediante interpolación.
5. Conclusión
Este artículo describe algunos requisitos específicos para materiales de acero Cr-Mo. En el trabajo de diseño detallado, es necesario considerar todos los aspectos de acuerdo con las especificaciones estándar, realizar un análisis integral para obtener un diseño seguro, económico y racional.
