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Una mirada en profundidad a la selección de materiales

La selección de materiales es un importante método de control de la corrosión en el diseño de ingeniería. Desempeña un papel en la estimación efectiva de los costos del proyecto, la programación de la construcción y las operaciones seguras.

Los conceptos fundamentales de la selección de materiales incluyen:

Una descripción general de materiales comunes

Hay muchos materiales de ingeniería en la industria. Aquí veremos las propiedades de algunos de los más comunes.

Aceros al carbono

El acero al carbono se refiere a una familia de metales a base de hierro con menos del 2% de carbono. Los aceros al carbono son los materiales más utilizados gracias a su facilidad de fabricación, bajo coste, disponibilidad y alta resistencia. Los aceros al carbono se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, desde componentes estructurales hasta equipos de alta presión.

Los aceros al carbono aleados con adiciones menores de cromo, molibdeno, vanadio y niobio se consideran aceros de baja aleación. Los elementos de aleación forman carburos en la microestructura, lo que aumenta la resistencia y la fiabilidad de los materiales a altas temperaturas, como en las calderas de las centrales eléctricas.

A temperaturas bajo cero, los aceros al carbono tienen menos dureza, por lo que se agrega níquel para mantener la dureza. Con cantidades más altas de níquel, el rango para temperaturas más bajas aumenta, especialmente para aplicaciones de gases líquidos para evitar fracturas frágiles en equipos de gas natural licuado (GNL) y gas licuado de petróleo (LPG).

Hierro fundido

El hierro fundido es un metal a base de hierro, con más de un 2% de carbono. Es barato y no necesita tratamiento adicional para reducir el contenido de carbono. Sin embargo, es frágil y tiene una soldabilidad limitada. Se utiliza para piezas no críticas en bombas de agua y tuberías, y tiene una resistencia a la corrosión similar a la del acero al carbono. El hierro fundido gris y el hierro fundido nodular/dúctil son los tipos más comunes de hierro fundido.

Acero inoxidable (SS)

El acero inoxidable es un tipo de acero con al menos un 11 % de cromo, en combinación con níquel, molibdeno y nitrógeno. Los aceros inoxidables se utilizan de manera confiable en ambientes corrosivos en una variedad de industrias energéticas, químicas y petroquímicas. Existen varios tipos de acero inoxidable, según el contenido de aleación y las microestructuras.

Lea: Introducción a los aceros inoxidables

Aceros Inoxidables Ferríticos
Los aceros inoxidables ferríticos son los tipos más económicos y tienen un contenido de níquel muy bajo. Son susceptibles a la sensibilización y difíciles de soldar, por lo que se utilizan para componentes no soldados. A pesar de su moderada resistencia a la corrosión, los aceros inoxidables ferríticos son resistentes al agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) inducido por cloruro.

Aceros Inoxidables Martensíticos
Los aceros inoxidables martensíticos tienen un bajo contenido de níquel, con una gama de usos similar a la de los aceros inoxidables ferríticos. Tienen alta resistencia y hay muchas tuberías fabricadas con aceros inoxidables martensíticos. Su alta dureza los hace preferidos para su uso contra la erosión.

Aceros inoxidables austeníticos
Los aceros inoxidables austeníticos son los aceros inoxidables más utilizados en la industria. Con una mayor cantidad de níquel, tienen buena resistencia a la corrosión y se fabrican fácilmente. Hay diferentes grados de aceros inoxidables austeníticos para seleccionar dependiendo de la corrosividad del ambiente. Algunos grados de aleación inferior tienen baja resistencia al cloruro SCC. Los aceros inoxidables austeníticos se utilizan ampliamente en aplicaciones criogénicas.

Lea: 12 cosas que debe saber sobre el acero inoxidable austenítico

Aceros inoxidables dúplex
Los aceros inoxidables dúplex tienen microestructuras duales, ferríticas y austeníticas, con propiedades combinadas. Tienen alta resistencia y muy buena resistencia a la corrosión, especialmente contra el SCC asistido por cloruro, lo que los hace buenos para su uso en aplicaciones en alta mar. Sin embargo, los aceros inoxidables dúplex heredan la menor resistencia de la fase ferrítica.

Aceros inoxidables endurecidos por precipitación
Los aceros inoxidables templados por precipitación tienen alta resistencia y tenacidad, a partir de microestructuras austeníticas, semiausteníticas o martensíticas, según el tratamiento térmico. Aunque tienen buena soldabilidad, sus aplicaciones son limitadas, como resortes de alto rendimiento.

Aleaciones

Una aleación combina diferentes metales, lo que permite diferentes propiedades. Estas son algunas de las aleaciones más comunes y sus características clave.

Aleaciones de níquel

Las aleaciones de níquel tienen una resistencia a la corrosión excepcional, pero son caras debido a su alto contenido de níquel, que generalmente se agrega en combinación con otros elementos de aleación como el molibdeno. Hay muchos tipos de aleaciones de níquel que se designan por nombre de marca, como Hastelloy, Incoloy, Monel, etc. Estos nombres pertenecen a patentes vencidas, pero el legado de nombres permanece. Las aleaciones de níquel son resistentes al SCC asistido por cloruro y al SCC asistido por sulfuro.

Seminario web: La resistencia a la corrosión de las aleaciones de níquel

Aleaciones de aluminio

Las aleaciones de aluminio tienen una buena relación resistencia-peso y buena resistencia a la corrosión. Sin embargo, son susceptibles a la corrosión galvánica cuando entran en contacto con metales a base de hierro. Como el aluminio tiene una temperatura de fusión baja, la aplicación de aleaciones de aluminio se limita a usos de baja temperatura. Debido a su excelente rendimiento térmico y retención de ductilidad, las aleaciones de aluminio se utilizan en aplicaciones criogénicas, como intercambiadores de calor en la industria del GNL.

Aleaciones de Cobre

Las aleaciones de cobre se usan comúnmente en ambientes de agua de mar e intercambiadores de calor. Tienen una alta resistencia a la bioincrustación, especialmente a la microincrustación, y a las condiciones de estancamiento que pueden causar corrosión localizada, así como corrosión relacionada con un flujo excesivo. Algunas aleaciones de cobre son susceptibles a SCC en ambientes que contienen amoníaco.

Aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio tienen una buena relación resistencia-peso y alta resistencia a la corrosión en entornos con alto contenido de cloruro. Sin embargo, son caros y difíciles de fabricar. El titanio sin alear se usa comúnmente en la industria y es más económico que otros grados de titanio.

Lea: 5 cosas que debe saber y comprender sobre la corrosión del titanio

Cerámica

Debido a su naturaleza frágil, ya pesar de su alta resistencia a la corrosión, las cerámicas no se utilizan en equipos que contienen presión. La cerámica se utiliza en equipos y piezas de alta temperatura, como los refractarios, y para la protección contra el desgaste. Las cerámicas para refractarios se componen generalmente de una combinación de óxidos de aluminio, magnesio y silicio. Para mayor resistencia al desgaste, las cerámicas están compuestas de carburos o nitruros.

Polímeros

Los polímeros se utilizan como termoplásticos, termoestables y elastómeros. La mayoría de los polímeros son muy resistentes a la corrosión, incluso más que muchas aleaciones resistentes a la corrosión. Los polímeros, sin embargo, tienen baja resistencia, bajos puntos de fusión y resistencia limitada a los rayos UV. En aplicaciones corrosivas de alta presión, los polímeros se pueden usar para revestimientos resistentes a la corrosión en superficies metálicas. HDPE, PVC y PTFE son ejemplos de termoplásticos, pero a pesar de estar en el mismo grupo, tienen diferentes propiedades y aplicaciones. Los termoestables no suelen utilizarse como materiales sólidos, sino como revestimientos o en una matriz de un compuesto. Los elastómeros tienen propiedades mecánicas únicas y se utilizan para sellar componentes en muchas aplicaciones presurizadas.

Lea: La corrosión de los materiales poliméricos

Compuestos

Los composites son una combinación de dos o más materiales para lograr propiedades de ambos y, por lo tanto, características óptimas para una determinada aplicación. Los compuestos más comunes en la industria combinan fibra de vidrio reforzada en matriz polimérica y acero reforzado en matriz de hormigón. La fibra da alta resistencia y la matriz da tenacidad, distribuyendo el estrés uniformemente. La fibra de refuerzo podría estar hecha de vidrio, metal, carbono y otros polímeros como la aramida. El vidrio E es una fibra de uso común, y existen otros tipos de vidrios adecuados para diferentes aplicaciones, como el vidrio C para resistencia química o el vidrio R para resistencia a la fatiga. El polímero termoestable es una matriz compuesta de uso común que es fácil de fabricar y tiene buenas propiedades mecánicas y resistentes a la corrosión. El polímero termoplástico no se usa con tanta frecuencia como el polímero termoestable y tiende a usarse para tuberías enrollables por su alta ductilidad.

El hormigón armado con acero es un material estructural vital, y la corrosión del acero se produce en entornos corrosivos como los del agua de mar y las aguas residuales. Se utilizan recubrimientos, protección catódica y uso de aceros inoxidables para mitigar la corrosión.

Factores a considerar cuando se trata de la selección de materiales

En general, los principales factores considerados para los materiales incluyen, entre otros:

Para aplicaciones de soporte de carga, las propiedades mecánicas se verifican para garantizar la integridad estructural. Las propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería varían mucho según las microestructuras, la composición química y los procesos de fabricación. Las variedades están estandarizadas a nivel internacional o local por organismos rectores, como ASTM, ISO o JIS. Las propiedades mecánicas básicas incluyen, pero no se limitan a:

Las propiedades se obtienen comúnmente a partir de pruebas destructivas de muestras de procesos de fabricación, y los resultados se indican en certificados de materiales. Sin embargo, se realizan pruebas mecánicas especializadas de antemano para evitar disputas entre compradores y fabricantes.

Los materiales se degradan con el tiempo por reacciones inducidas por el medio ambiente llamadas corrosión. La corrosividad ambiental varía según la naturaleza del entorno, los materiales seleccionados y la aplicación. Los materiales deben seleccionarse adecuadamente para garantizar la confiabilidad y el funcionamiento seguro durante la vida útil de la aplicación.

La corrosión podría ser inducida por la atmósfera, el suelo, el agua, los productos químicos, el petróleo y el gas y los microorganismos, y por diferentes corrosivos que causan diferentes tipos de corrosión. La selección de materiales con el fin de mitigar la corrosión generalmente utiliza lo siguiente:

Diagramas/Gráficos de Corrosión Termodinámica

Los diagramas/gráficos de corrosión se basan en la recopilación de datos de las pruebas de laboratorio y/o el rendimiento de campo. Los datos recopilados se basan en parámetros estudiados en pruebas de laboratorio o pruebas de campo.

Modelos de corrosión

Los modelos de corrosión se utilizan para predecir las tasas de corrosión en función de fórmulas empíricas. Los modelos se utilizan en forma de programas de software propietarios o en hojas de Excel con parámetros de entrada ingresados. Hay modelos para CO2 corrosión, corrosión por oxígeno y tasa de crecimiento de grietas. La precisión de los modelos puede variar, ya que no todos los parámetros de corrosión pueden incluirse en los modelos, que se generan empíricamente a partir de datos obtenidos experimentalmente.

Tablas de compatibilidad química

Las tablas o gráficos de compatibilidad química son herramientas cualitativas que se utilizan para determinar la compatibilidad entre las condiciones ambientales y los materiales seleccionados para una aplicación. En algunas situaciones, se requieren investigaciones y pruebas adicionales para determinar mejor la compatibilidad de un material seleccionado.

Pruebas de laboratorio

Las pruebas de laboratorio se llevan a cabo para los casos en los que se necesitan datos analíticos para evaluar el rendimiento de los materiales seleccionados en condiciones ambientales simuladas. Las condiciones ambientales, las configuraciones de laboratorio y las condiciones experimentales se organizan en un entorno de laboratorio estandarizado para garantizar que los datos obtenidos representen los parámetros utilizados para una selección de materiales efectiva y adecuada.

Recomendaciones del licenciante de tecnología

Algunas tecnologías de procesamiento son propietarias y los acuerdos de conocimientos técnicos son propiedad de los licenciantes. Los materiales seleccionados por los licenciantes a menudo representan los requisitos mínimos para fines de garantía.

Comentarios operativos

Los comentarios operativos de experiencias reales son valiosos, ya que ofrecen datos de campo en tiempo real. La recopilación de datos históricos (cambios de parámetros operativos, certificados de materiales, especificación de procedimientos de soldadura (WPS)/registros de calificación de procedimientos (PQR), informes de inspección, informes de análisis de fallas, etc.) son cruciales para garantizar la selección de materiales adecuados.

Evaluar el costo de las decisiones de selección de materiales

El costo es una consideración importante para la selección de materiales, y el equilibrio de los gastos de capital (CAPEX) y los gastos operativos (OPEX) es crucial. Los ingenieros de materiales y corrosión deben seleccionar materiales que satisfagan las consideraciones de presupuesto y costos, así como el rendimiento. La importancia de CAPEX radica no solo en los materiales a granel seleccionados, sino también en los procesos de fabricación y las formas del producto. El impacto de OPEX radica en la reparación y reemplazo de materiales corroídos, y el control de corrosión, monitoreo de corrosión e inyección de inhibidores de corrosión. El uso de acero al carbono puede tener un CAPEX bajo, pero un OPEX alto, y el uso de acero inoxidable impacta a cada uno de manera opuesta.

La disponibilidad de materiales también juega un papel crucial, especialmente en lo que respecta al cronograma del proyecto. El uso de materiales patentados, por ejemplo, puede demorar más de lo normal en la entrega debido a limitaciones relacionadas con los proveedores, cantidades bajas o existencias que podrían requerir pedidos de cantidades mínimas, en situaciones que podrían aumentar los costos.

Los materiales difíciles de fabricar pueden afectar significativamente el cronograma del proyecto si no se planifican con anticipación, especialmente cuando se usan en grandes cantidades. Por ejemplo, los materiales que necesitan tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) pueden requerir miles de soldaduras en instalaciones de petróleo y gas, así como miles de horas de trabajo para adaptarse a los requisitos de PWHT. Los materiales difíciles de soldar pueden reducir la velocidad de soldadura y aumentar las tasas de reparación.

Conclusión

La selección de materiales implica procedimientos complejos, que requieren la comprensión de las susceptibilidades a fallas y los métodos de control de la corrosión, así como la cooperación entre las diferentes disciplinas de ingeniería.


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