Selección estratégica de materiales: Salvaguardar diseño, coste y longevidad

La selección de materiales es un método principal de control de corrosión en el diseño de ingeniería. Juega un papel en la estimación efectiva de costes de proyecto, programación de construcción y operaciones seguras.

Los conceptos fundamentales de la selección de materiales incluyen:

• Tipos de materiales: Esto cubre la amplia gama de materiales disponibles que pueden seleccionarse.
• Propiedades de los materiales: Esto se refiere a examinar las propiedades mecánicas, físicas y de resistencia a la corrosión que cumplen requisitos para aplicaciones/usos específicos.
• Economía de materiales: Esto se refiere a los costes de propiedad, capital, mantenimiento y operación para varios materiales.

Visión 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 base hierro con menos del 2% de carbono. Los aceros al carbono son los materiales más usados gracias a su facilidad de fabricación, bajo coste, disponibilidad y alta resistencia. Los aceros al carbono se usan 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, aumentando la resistencia y fiabilidad de los materiales a altas temperaturas, como en calderas de plantas de energía.

A temperaturas bajo cero, los aceros al carbono tienen menos tenacidad, por lo que se añade níquel para mantener la tenacidad. Con mayores cantidades de níquel, el rango para temperaturas más bajas aumenta, especialmente para aplicaciones de gases licuados para prevenir fracturas frágiles en equipos de gas natural licuado (GNL) y gas de petróleo licuado (GPL).

Hierro fundido

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

Acero inoxidable (AI)

El acero inoxidable es un tipo de acero con cromo de al menos 11%, en combinación con níquel, molibdeno y nitrógeno. Los aceros inoxidables se usan de forma fiable en entornos corrosivos en una variedad de industrias de energía, química y petroquímica. Hay varios tipos de acero inoxidable, dependiendo de los contenidos de aleación y microestructuras.

Lea: Una introducción a los aceros inoxidables

Aceros inoxidables ferríticos
Los aceros inoxidables ferríticos son los tipos más económicos y tienen contenido de níquel muy bajo. Son susceptibles a la sensibilización y difíciles de soldar, y por tanto se usan para componentes no soldados. A pesar de su resistencia a la corrosión moderada, los aceros inoxidables ferríticos son resistentes al agrietamiento por corrosión bajo tensión asistido por cloruros (SCC).

Aceros inoxidables martensíticos
Los aceros inoxidables martensíticos tienen 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 usar contra erosión.

Aceros inoxidables austeníticos
Los aceros inoxidables austeníticos son los aceros inoxidables más comúnmente usados en la industria. Con mayor níquel, tienen buena resistencia a la corrosión y son fácilmente fabricables. Hay diferentes grados de aceros inoxidables austeníticos para seleccionar dependiendo de la corrosividad del entorno. Algunos grados de menor aleación tienen baja resistencia al SCC por cloruros. Los aceros inoxidables austeníticos se usan extensivamente en aplicaciones criogénicas.

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

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

Aceros inoxidables endurecidos por precipitación
Los aceros inoxidables endurecidos por precipitación tienen alta resistencia y tenacidad, a partir de microestructuras austeníticas, semi-austeníticas o martensíticas, dependiendo del tratamiento térmico. Aunque tienen buena soldabilidad, sus aplicaciones son limitadas, como para muelles de alto rendimiento.

Aleaciones

Una aleación combina diferentes metales, permitiendo diferentes propiedades. Aquí están algunas de las aleaciones más comunes y sus características clave.

Aleaciones de níquel

Las aleaciones de níquel tienen resistencia a la corrosión excepcional, pero son caras debido a su alto contenido de níquel, que usualmente se añade en combinación con otros elementos de aleación como molibdeno. Hay muchos tipos de aleaciones de níquel designadas por nombre de marca, como Hastelloy, Incoloy, Monel, etc. Estos nombres se refieren a patentes expiradas, pero el legado de nombres permanece. Las aleaciones de níquel son resistentes al SCC asistido por cloruros y SCC asistido por sulfuros.

Webinar: La resistencia a la corrosión de las aleaciones de níquel

Aleaciones de aluminio

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

Aleaciones de cobre

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

Aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio tienen buena relación resistencia-peso y alta resistencia a la corrosión en entornos de alto cloruro. Son, sin embargo, caras 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 entender sobre la corrosión del titanio

Cerámicas

Debido a su naturaleza frágil - y a pesar de su alta resistencia a la corrosión - las cerámicas no se usan en equipos a presión. Las cerámicas se usan en equipos y piezas de alta temperatura, como refractarios, y para protección contra desgaste. Las cerámicas para refractarios generalmente están compuestas por una combinación de óxidos de aluminio, magnesio y silicio. Para resistencia al desgaste, las cerámicas están compuestas de carburos o nitruros.

Polímeros

Los polímeros se usan 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, puntos de fusión bajos y resistencia UV limitada. En aplicaciones corrosivas de alta presión, los polímeros pueden usarse como 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 se usan usualmente como materiales sólidos, sino como recubrimientos o en una matriz de un compuesto. Los elastómeros tienen propiedades mecánicas únicas y se usan para componentes de sellado en muchas aplicaciones a presión.

Lea: La corrosión de materiales poliméricos

Compuestos

Los compuestos son una combinación de dos o más materiales para lograr las propiedades de ambos y, por tanto, características óptimas para una cierta aplicación. Los compuestos más comunes en la industria combinan fibra de vidrio reforzada en matriz de polímero, y acero reforzado en matriz de hormigón. La fibra da alta resistencia y la matriz da tenacidad, distribuyendo el esfuerzo uniformemente. La fibra de refuerzo podría ser de vidrio, metal, carbono y otros polímeros como aramida. El vidrio E es una fibra comúnmente usada, y hay otros tipos de vidrios adecuados para diferentes aplicaciones, como vidrio C para resistencia química o vidrio R para resistencia a fatiga. El polímero termoestable es una matriz de compuesto comúnmente usada que es fácil de fabricar y tiene buenas propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión. El polímero termoplástico no se usa tan comúnmente 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 ocurre en entornos corrosivos como los de agua de mar y aguas residuales. Recubrimientos, protección catódica y uso de aceros inoxidables se usan para mitigar la corrosión.

Factores a considerar en la selección de materiales

En general, los principales factores considerados para materiales incluyen, pero no se limitan a:

• Propiedades mecánicas
• Propiedades de corrosión
• Coste total de propiedad
• Disponibilidad
• Facilidad de fabricación

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

• Resistencia a la tracción
• Energía de impacto
• Elongación
• Dureza
• Fatiga
• Tenacidad a la fractura
• Fluencia
• Otros factores dependiendo de la aplicación específica

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

Los materiales se degradan con el tiempo por reacciones inducidas por el entorno llamadas corrosión. La corrosividad ambiental varía dependiendo de la naturaleza del entorno, materiales seleccionados y aplicación. Los materiales deben seleccionarse adecuadamente para asegurar fiabilidad y operación segura durante la vida útil de la aplicación.

La corrosión podría ser inducida desde la atmósfera, suelo, agua, químicos, petróleo y gas, y microorganismos, y por diferentes corrodentes causando diferentes tipos de corrosión. La selección de materiales con el propósito de mitigar la corrosión generalmente usa lo siguiente:

• Diagramas/gráficos de corrosión termodinámicos
• Modelos de corrosión
• Tablas de compatibilidad química
• Pruebas de laboratorio (polarización potenciodinámica, inmersión, espectroscopía de impedancia electroquímica, agrietamiento por corrosión bajo tensión)
• Recomendaciones de licenciantes de tecnología
• Retroalimentación operacional

Diagramas/gráficos de corrosión termodinámicos

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

Modelos de corrosión

Los modelos de corrosión se usan para predecir tasas de corrosión basadas en fórmulas empíricas. Los modelos se usan en forma de programas de software propietarios o en hojas de Excel con parámetros de entrada. Hay modelos para corrosión por CO₂, 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 usadas para determinar la compatibilidad entre las condiciones ambientales y los materiales seleccionados para una aplicación. Para algunas situaciones, investigaciones y pruebas adicionales son requeridas para determinar mejor la compatibilidad de un material seleccionado.

Pruebas de laboratorio

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

Recomendaciones de licenciantes de tecnología

Algunas tecnologías de procesamiento son propietarias, y los acuerdos de know-how son propiedad de licenciantes. Los materiales seleccionados por licenciantes a menudo representan los requisitos mínimos para propósitos de garantía.

Retroalimentación operacional

La retroalimentación operacional de experiencias reales es valiosa ya que ofrece datos basados en campo en tiempo real. La recopilación de datos históricos (cambios de parámetros operacionales, certificados de materiales, Especificación de Procedimiento de Soldadura (WPS)/Registros de Calificación de Procedimiento (PQR), informes de inspección, informes de análisis de fallos, etc.) son cruciales para garantizar una selección de materiales adecuada.

Evaluación del coste de decisiones de selección de materiales

El coste es una consideración principal para la selección de materiales, y el equilibrio entre gastos de capital (CAPEX) y gastos operativos (OPEX) es crucial. Los ingenieros de materiales y corrosión deben seleccionar materiales que satisfagan las consideraciones de presupuesto y costes así como rendimiento. La importancia de CAPEX no solo radica en los materiales a granel seleccionados, sino también en los procesos de fabricación y formas de producto. El impacto de OPEX radica en la reparación y reemplazo de materiales corroídos, y el control de corrosión, monitorización de corrosión e inyección de inhibidores de corrosión. Usar acero al carbono podría ser de bajo CAPEX, pero de alto OPEX, y usar acero inoxidable impacta cada uno de manera opuesta.

La disponibilidad de materiales también juega un papel crucial, especialmente respecto al cronograma del proyecto. El uso de materiales propietarios, por ejemplo, podría tardar más de lo habitual en la entrega debido a limitaciones relacionadas con proveedores, bajas cantidades, o existencias que podrían requerir pedidos de cantidad mínima, en situaciones que podrían aumentar el coste.

Los materiales difíciles de fabricar podrían impactar significativamente el cronograma del proyecto si no se planifican temprano, especialmente cuando se usan en grandes cantidades. Por ejemplo, materiales que necesitan tratamiento térmico post-soldadura (PWHT) podrían requerir miles de uniones soldadas en instalaciones de petróleo y gas, así como miles de horas-hombre para acomodar los requisitos de PWHT. Los materiales difíciles de soldar podrían ralentizar las velocidades de soldadura y aumentar las tasas de reparación.

Conclusión

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