Acero inoxidable 304L frente a 304H: una comparación completa

I. Introducción

Durante la construcción de un proyecto específico en 2014, encontramos problemas de soldadura relacionados con materiales de tuberías 304 y 304H.

A través de una serie de actividades del proyecto relacionadas con la gestión de materiales, la gestión de la construcción, las técnicas de soldadura y las inspecciones, observamos que los materiales de la Serie 304 comparten características comunes dentro de un rango determinado, pero también tienen distinciones claras y separaciones estrictas.

Por tanto, resumir estas similitudes y diferencias contribuye a la sistematización del conocimiento y la acumulación de experiencias constructivas futuras.

II. Introducción a los materiales de acero inoxidable austenítico 304

El acero inoxidable austenítico generalmente pertenece a la categoría de acero resistente a la corrosión y es el tipo de acero más utilizado.

El acero inoxidable tipo 18-8 es el más representativo, exhibe propiedades mecánicas favorables y es conveniente para el procesamiento mecánico, estampado y soldadura.

Ofrece una excelente resistencia a la corrosión en ambientes oxidativos y buena resistencia al calor. Sin embargo, es particularmente sensible a los medios que contienen iones cloruro (Cl-), lo que puede provocar grietas por corrosión bajo tensión. El acero inoxidable 18-8, principalmente 304, 304L, 304H, está disponible en varias formas, incluidas láminas, barras y placas.

La aleación 304H (UNS S30409) es una versión modificada de la aleación austenítica 304 con 18% de cromo y 8% de níquel. El contenido de carbono en este producto se controla entre 0,04 y 0,10, lo que aumenta la resistencia a altas temperaturas de los componentes del producto en ambientes superiores a 800 °F.

Esta sección analiza principalmente los tipos de acero, la composición química y el rendimiento de los materiales de acero inoxidable austenítico 304, comparando principalmente placas de acero y tubos de acero.

Tabla equivalente aproximada de grados de acero para placas de acero inoxidable austenítico grado 304

No	ES 24511-2009		GB/T 4237-1992	ASME(2007) SA240		PT 10028-7:2007
	Sistema de numeración unificado	Nueva nota	Serie antigua	Código UNS	Modelo	Código numérico	Nota
1	S30408	06Cr19Ni10	0Cr18Ni9	S30400	304	1.4301	X5CrNi18-10
dos	S30403	022Cr19Ni10	00Cr19Ni10	S30403	304L	1.4306	X2CrNi19-11
3	S30409	07Cr19Ni10	——	S30409	304H	1.4948	X6CrNi18-10

Tabla equivalente aproximada de grados de acero para tubos soldados de acero inoxidable austenítico clase 304

No	GB/T 12771-2008		GB/T 12771-2000	ASME(2007) SA312		PT 10028-7:2007
	Sistema de numeración unificado	Nueva nota	Serie antigua	Código UNS	Modelo	Código numérico	Nota
1	S30408	06Cr19Ni10	0Cr18Ni9	S30400	TP304	1.4301	X5CrNi18-10
dos	S30403	022Cr19Ni10	00Cr19Ni10	S30403	TP304L	1.4306	X2CrNi19-11
3

Tabla de composición química del acero inoxidable austenítico 304 y del acero resistente al calor

No	Sistema de numeración unificado	Composición química (fracción de masa) % (Composición según norma GB/T 20878-2007)
		W.	Sí	Minnesota	PAG	s	No	cr	Mes	norte
1	S30408	0,08	1.00	2:00	0.045	0.030	8:00 ~ 11:00	6:00 pm ~ 8:00 pm
dos	S30403	0,03	1.00	2:00	0.045	0.030	8:00~12:00	6:00 pm ~ 8:00 pm
3	S30409	0,04~0,10	1.00	2:00	0.045	0.030	8:00 ~ 11:00	6:00 pm ~ 8:00 pm
4	S30458	0,08	1.00	2:00	0.045	0.030	8:00 ~ 11:00	6:00 pm ~ 8:00 pm		0,10 ~ 0,16

Tabla de tensiones permitidas para placa de acero inoxidable austenítico grado 304

Nota	Estándares de láminas de acero	Espesor milímetros	Esfuerzo permitido/MPa a las siguientes temperaturas (°C)
			≤20	100	150	200	250	300	350	400	450	500	525	550	575	600	625	650	675	700
S30408	GB24511	1,5~80	137	137	137	130	122	114	111	107	103	100	98	91	79	64	52	42	32	27
			137	114	103	96	90	85	82	79	76	74	73	71	67	62	52	42	32	27
S30403	GB24511	1,5~80	120	120	118	110	103	98	94	91	88
			120	98	87	81	76	72	69	67	sesenta y cinco
S30409	GB24511	1,5~80	137	137	137	130	122	114	111	107	103	100	98	91	79	64	52	42	32	27
			137	114	103	96	90	85	82	79	76	74	73	71	67	62	52	42	32	27
Nota: La tensión permitida en la primera línea solo se aplica a componentes que permiten una ligera deformación permanente.

Tabla de tensiones permitidas para tubos de acero inoxidable austenítico grado 304

Nota	Estándares de láminas de acero	Espesor milímetros	Esfuerzo permitido/MPa a las siguientes temperaturas (°C)
			≤20	100	150	200	250	300	350	400	450	500	525	550	575	600	625	650	675	700
S30408	GB13296	≤14	137	137	137	130	122	114	111	107	103	100	98	91	79	64	52	42	32	27
			137	114	103	96	90	85	82	79	76	74	73	71	67	62	52	42	32	27
S30403	GB13296	≤14	117	117	117	110	103	98	94	91	88
			117	97	87	81	76	73	69	67	sesenta y cinco
S30408	GB/T14976	≤28	137	137	137	130	122	114	111	107	103	100	98	91	79	64	52	42	32	27
			137	114	103	96	90	85	82	79	76	74	73	71	67	62	52	42	32	27
S30403	GB/T14976	≤28	117	117	117	110	103	98	94	91	88
			117	97	87	81	76	73	69	67	sesenta y cinco
S30408	GB/T12771	≤28	116	116	116	111	104	97	94	91	88	85	83	77	67	54	44	36	27	23
			116	97	88	82	77	72	70	67	sesenta y cinco	63	62	60	57	53	44	36	27	23
S30403	GB/T12771	≤28	99	99	99	94	88	83	80	77	75
			99	82	74	69	sesenta y cinco	62	59	57	55
S30408	GB/T24593	≤4	116	116	116	111	104	97	94	91	88	85	83	77	67	54	44	36	27	23
			116	97	88	82	77	72	70	67	sesenta y cinco	63	62	60	57	53	44	36	27	23
S30403	GB/T24593	≤4	99	99	99	94	88	83	80	77	75
			99	82	74	69	sesenta y cinco	62	59	57	55
Nota: La tensión permitida en la primera línea solo se aplica a componentes que permiten una ligera deformación permanente. Los datos correspondientes a GB/T 12771 y GB/T 24593 se multiplicaron por el coeficiente de unión de soldadura de 0,85.

Cuando se utilizan materiales de acero inoxidable austenítico para tuberías de presión, es esencial tener en cuenta que el acero inoxidable austenítico de cromo-níquel puede sufrir fragilización en fase sigma cuando se utiliza durante un período prolongado a temperaturas entre 540 °C y 900 °C.

Es aconsejable controlar el contenido de ferrita y el grado de deformación en frío del acero austenítico. En condiciones de alta temperatura (temperatura de funcionamiento superior a 540 °C), el acero inoxidable austenítico con bajo contenido de carbono (C ≤ 0,08 %) también debe cumplir requisitos adicionales:

1) El contenido de carbono del material original debe ser ≥ 0,04;

2) Estado del tratamiento térmico: enfriamiento rápido >1040°C;

3) El tamaño de grano promedio debe ser grado 7 o más grueso. Si no se pueden cumplir estos requisitos adicionales, la tensión permitida debe seleccionarse de acuerdo con el acero inoxidable con contenido ultra bajo de carbono.

Propiedades mecánicas

Tabla de límite elástico de alta temperatura para placa de acero inoxidable austenítico de grado 304

Nota	Espesor milímetros	R p0,2 /MPa a las siguientes temperaturas (°C)
		20	100	150	200	250	300	350	400	450	500	550
S30408	≤80	205	171	155	144	135	127	123	119	114	111	106
S30403	≤80	180	147	131	122	114	109	104	101	98
S30409	≤80	205	171	155	144	135	127	123	119	114	111	106

Tabla de límite elástico a alta temperatura para tubos de acero inoxidable austenítico de grado 304

Nota	R p0,2 /MPa a las siguientes temperaturas (°C)
	20	100	150	200	250	300	350	400	450	500	550
S30408	210	174	156	144	135	127	123	119	114	111	106
S30403	180	147	131	122	114	109	104	101	98
S30409

En GB/T20878-2007 “Grados de acero inoxidable y acero resistente al calor y composición química”, se agregó un nuevo grado de acero inoxidable austenítico de alta temperatura S30409 (07Cr19Ni10) con un contenido de carbono de 0,04% ~ 0,10%.

Sin embargo, existe un problema de clasificación dual con la clasificación 304, es decir, existe una superposición en el contenido de carbono entre S30409 (07Cr19Ni10) y S30408 ​​(06Cr19Ni10). El mismo problema de doble clasificación también existe con S31609 (07Cr17Ni12Mo2), que tiene un contenido de carbono de 0,04%~0,10%, y también hay una superposición en el contenido de carbono con S31608 (06Cr17Ni12Mo2).

III. Gestión de materiales de acero inoxidable austenítico 304

Etiquetado de materiales y documentos de garantía de calidad.

Los materiales suministrados y recibidos para tuberías de presión deben estar etiquetados de acuerdo con las normas y estipulaciones contractuales correspondientes. Cada pieza de material debe tener un marcaje claro y firme, y para materiales con diámetro nominal menor o igual a DN40, el etiquetado podrá realizarse mediante etiquetas u otros métodos sustitutos.

El contenido del etiquetado debe incluir, como mínimo, las marcas del fabricante y el nombre del material (código). Para los componentes de tuberías de acero inoxidable austenítico (tipo H) utilizados en condiciones de alta temperatura, también se deben incluir los números o códigos de lote de materiales.

Los documentos de garantía de calidad correspondientes incluyen los resultados de las inspecciones y pruebas especificadas en las normas y contratos y deben ser rastreables.

4. Soldadura de acero inoxidable austenítico 304.

1. Evaluación del proceso de soldadura

El material base para equipos de soporte de presión de soldadura se clasifica y agrupa según la composición química, propiedades mecánicas y soldabilidad del material metálico.

Según NB/T47014-2011, las categorías de materiales base para S30403, S30408 ​​​​y S30409 son Fe-8, con un grupo de Fe-8-1. La evaluación del proceso de soldadura puede consultar nuestro informe de evaluación del proceso de soldadura existente HN2006-02-2012.

2. Selección de materiales de soldadura.

El principio de selección de los materiales de soldadura se da en NB/T47015-2011: para soldar acero de alta aleación del mismo tipo, los materiales de soldadura deben garantizar que las propiedades mecánicas del metal de soldadura sean iguales o superiores a los valores límite especificados para el contenido para adultos.

Cuando sea necesario, su resistencia a la corrosión no debe ser inferior a los requisitos correspondientes del material base, o las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión deben cumplir con las condiciones técnicas estipuladas en los documentos de diseño.

Materiales de soldadura recomendados como se muestra en la siguiente tabla:

Sistema de numeración unificado (SNU)	Nota	Electrodos de soldadura por arco metálico protegido (SMAW)		Soldadura de arco sumergido (CORDILLERA)		Soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW)
		Modelos de electrodos	Ejemplo de clases de electrodos.	Tipos de flujo	Ejemplo de clases de alambres de soldadura y fundente	Grados de alambre de soldadura
S30408	06Cr19Ni10	E308-16 E308-15	A102A107	F308-H08Cr21Ni10	SJ601-H08Cr21Ni10 HJ260-H08Cr21Ni10	H08Cr21Ni10
S30403	022Cr19Ni10	ER308L-16	A002	F308L-H03Cr21Ni10	SJ601-H03Cr21Ni10 HJ260-H03Cr21Ni10	H03Cr21N i10

3. Consideraciones de soldadura

En comparación con el acero al carbono, la resistencia del acero inoxidable austenítico es 5 veces mayor que la del acero al carbono, lo que genera una mayor entrada de calor en las mismas condiciones de corriente de soldadura y voltaje del arco.

La conductividad térmica es baja, aproximadamente 1/3 de la del acero al carbono, lo que da como resultado una transferencia de calor lenta y una mayor deformación térmica.

El coeficiente de expansión lineal es aproximadamente un 40% mayor que el del acero al carbono, lo que puede conducir fácilmente a una mayor expansión térmica durante el calentamiento y a una contracción durante el enfriamiento, lo que hace que la deformación después de la soldadura sea más pronunciada.

Puntos clave para soldar acero inoxidable austenítico:

1) Para evitar grandes deformaciones y tensiones durante la soldadura, se debe elegir un método de soldadura con energía de soldadura concentrada.

2) Se debe mantener un control estricto del aporte de calor de soldadura para evitar que el grano de soldadura crezca severamente y se produzcan grietas calientes en la soldadura.

3) Para mejorar la resistencia al agrietamiento térmico y a la corrosión de la soldadura, el área de soldadura debe mantenerse limpia para evitar que elementos dañinos se infiltren en la soldadura.

4) El acero inoxidable austenítico no requiere precalentamiento durante la soldadura. Para evitar el crecimiento de grano en la zona de soldadura y afectada por el calor y la precipitación de carburo, y para garantizar la plasticidad, tenacidad y resistencia a la corrosión de la unión soldada, la temperatura entre pasadas debe mantenerse baja, generalmente sin exceder los 100 °C.

4. Problema del grano de austenita

El grano de austenita es el grano que se obtiene cuando se austeniza el acero y el tamaño del grano se denomina tamaño de grano de austenita. El tamaño de grano estándar se divide en 8 niveles, los niveles 1-4 son granos gruesos, los niveles 5-8 son granos finos y los niveles 10-13 por encima del nivel 8 son granos ultrafinos.

Las observaciones se realizan bajo un microscopio de 100x. En la producción real, el refinamiento del grano se ha convertido en uno de los métodos importantes para fortalecer los materiales metálicos, lo que puede mejorar la resistencia y tenacidad del acero al mismo tiempo. También esperamos lograr granos más finos durante la soldadura de ingeniería.

Necesitamos prestar atención a la influencia de la velocidad de calentamiento durante el proceso de soldadura. La velocidad de calentamiento es esencialmente un problema de sobrecalentamiento. Cuanto mayor es el grado de sobrecalentamiento, mayor es la relación entre la tasa de nucleación y la tasa de crecimiento y menor es el tamaño de grano inicial.

A pesar de esto, los granos de austenita tienden a crecer a altas temperaturas, por lo que no puede haber un tiempo de residencia prolongado a altas temperaturas. Por lo tanto, enfatizamos el calentamiento y enfriamiento rápido durante la soldadura.

El contenido de carbono en el acero también afecta el grano de austenita. Cuando el contenido de carbono en el acero no es suficiente para formar carburos no disueltos, a medida que aumenta el contenido de carbono, los granos de austenita tienden a crecer y volverse más gruesos.

Por lo tanto, entre los tres, es más probable que el S30408 ​​se espese, y se debe prestar atención al control y prevención del espesamiento del grano en otros aspectos.

Control de la relación cromo-níquel en el metal de soldadura, para el acero inoxidable 304, cuando la relación cromo-níquel del material de soldadura es inferior a 1,61, es probable que se produzca agrietamiento en caliente; cuando la relación cromo-níquel alcanza 2,3-3,2, se puede evitar el craqueo en caliente.

Limitar estrictamente el contenido de elementos nocivos como boro, azufre, fósforo y selenio en el metal de soldadura también puede prevenir la aparición de grietas en caliente.

Conclusión V

El diseño de equipos petroquímicos para alta temperatura, alta presión y fuerte corrosión es exigente, y la elección de los materiales y la construcción de soldadura deben considerarse cuidadosamente para garantizar la estabilidad a largo plazo del equipo.

Es especialmente importante comprender las características de los materiales, distinguir sus diferencias y similitudes y dominar técnicas específicas de construcción con soldadura.

Con el desarrollo de la tecnología de materiales, los materiales se optimizan cada vez más para un rendimiento específico y la “selección y utilización de materiales” se vuelve más especializada, al igual que el conocimiento. Se espera que este artículo desempeñe un papel positivo en este sentido.