Factores que limitan las temperaturas de funcionamiento
Las aplicaciones típicas que requieren que los materiales dúplex estén expuestos a condiciones de alta temperatura son recipientes a presión, aspas/impulsores de ventiladores o depuradores de gases de escape.Los requisitos para las propiedades del material pueden variar desde alta resistencia mecánica hasta resistencia a la corrosión. La composición química de los grados analizados en este artículo se enumera en la Tabla 1.
Descomposición espinodal
La descomposición espinodal (también llamada desmezcla o históricamente fragilización a 475 °C) es un tipo de separación de fases en la fase ferrítica, que ocurre a temperaturas de alrededor de 475 °C.El efecto más pronunciado es un cambio en la microestructura, provocando la formación de la fase α´, lo que resulta en la fragilización del material.Esto, a su vez, limita el rendimiento del producto final.
La Figura 1 muestra el diagrama de transición temperatura-tiempo (TTT) para los materiales dúplex estudiados, con descomposición espinodal representada en la región de 475 °C.Cabe señalar que este diagrama TTT representa una disminución de la tenacidad en un 50% medida mediante pruebas de tenacidad al impacto en muestras Charpy-V, lo que generalmente se acepta como indicador de fragilidad.En algunas aplicaciones podría ser aceptable una mayor disminución de la tenacidad, lo que cambia la forma del diagrama TTT.Por lo tanto, la decisión de establecer un OT máximo particular depende de lo que se considera un nivel aceptable de fragilización, es decir, reducción de tenacidad para el producto final.Cabe mencionar que históricamente los gráficos TTT también se producían utilizando un umbral establecido, como 27J.
Grados de aleación más altos
La Figura 1 muestra que el aumento de elementos de aleación desde el grado LDX 2101 hacia el grado SDX 2507 conduce a una tasa de descomposición más rápida, mientras que el dúplex pobre muestra un inicio retrasado de la descomposición.Investigaciones previas han demostrado el impacto de elementos de aleación como el cromo (Cr) y el níquel (Ni) en la descomposición y fragilidad espinodal.5–8 Este efecto se ilustra con más detalle en la Figura 2. Muestra que la descomposición espinodal aumenta cuando la temperatura aumenta de 300 a 350 °C y es más rápido para el grado SDX 2507 de mayor aleación que para el DX 2205 menos aleado.
Esta comprensión puede ser crucial para ayudar a los clientes a decidir cuál es la OT máxima adecuada para el grado y la aplicación seleccionados.
Determinación de la temperatura máxima
Como se mencionó anteriormente, el OT máximo para material dúplex se puede establecer de acuerdo con la caída aceptable en la tenacidad al impacto.Normalmente se adopta el OT correspondiente a un valor de reducción de tenacidad del 50%.
OT depende de la temperatura y el tiempo
La pendiente en las colas de las curvas en el diagrama TTT de la Figura 1 demuestra que la descomposición espinodal no ocurre solo a una temperatura umbral y se detiene por debajo de ese nivel.Más bien, es un proceso constante cuando los materiales dúplex se exponen a temperaturas de funcionamiento inferiores a 475 °C.Sin embargo, también está claro que, debido a las menores velocidades de difusión, las temperaturas más bajas significan que la descomposición comenzará más tarde y será mucho más lenta.Por lo tanto, el uso de material dúplex a temperaturas más bajas podría no causar problemas durante años o incluso décadas.Sin embargo, actualmente existe una tendencia a establecer un OT máximo sin considerar el tiempo de exposición.Por lo tanto, la pregunta clave es ¿qué combinación de temperatura y tiempo se debe utilizar para decidir si es seguro utilizar un material o no?Herzman et al.10 resumen muy bien este dilema: “…el uso se restringirá entonces a temperaturas donde la cinética de desmezcla sea tan baja que no ocurrirá durante la vida técnica diseñada del producto…”.
El impacto de la soldadura
La mayoría de las aplicaciones utilizan soldadura para unir componentes.Es bien sabido que la microestructura de la soldadura y su química varían según el material base 3 .Dependiendo del material de aportación, la técnica de soldadura y los parámetros de soldadura, la microestructura de las soldaduras es en gran medida diferente a la del material a granel.La microestructura es normalmente más gruesa, y esto también incluye la zona afectada por el calor de alta temperatura (HTHAZ), que impacta la descomposición espinodal en las soldaduras.La variación de la microestructura entre el volumen y las piezas soldadas es un tema que se analiza aquí.
Resumiendo los factores limitantes
Los apartados anteriores llevan a las siguientes conclusiones:
- Todos los materiales dúplex están sujetos
a la descomposición espinodal a temperaturas alrededor de 475 °C. - Dependiendo del contenido de aleación, se espera una velocidad de descomposición más rápida o más lenta.Un mayor contenido de Cr y Ni promueve una desmezcla más rápida.
- Para configurar la temperatura máxima de funcionamiento:
– Se debe considerar una combinación de tiempo de funcionamiento y temperatura.
– Se debe fijar un nivel aceptable de disminución de la tenacidad, es decir, un nivel deseado de tenacidad final - Cuando se introducen componentes microestructurales adicionales, como soldaduras, el OT máximo está determinado por la parte más débil.
Estándares globales
Para este proyecto se revisaron varias normas europeas y americanas.Se centraron en aplicaciones en recipientes a presión y componentes de tuberías.En general, la discrepancia con respecto a la OT máxima recomendada entre los estándares revisados se puede dividir entre el punto de vista europeo y americano.
Las normas europeas de especificación de materiales para aceros inoxidables (p. ej. EN 10028-7, EN 10217-7) implican un OT máximo de 250 °C, ya que las propiedades del material sólo se proporcionan hasta esta temperatura.Además, las normas europeas de diseño para recipientes a presión y tuberías (EN 13445 y EN 13480, respectivamente) no proporcionan más información sobre el OT máximo que la que se proporciona en sus normas de materiales.
Por el contrario, la especificación de materiales estadounidense (por ejemplo, ASME SA-240 de ASME sección II-A) no presenta ningún dato de temperatura elevada.En cambio, estos datos se proporcionan en la sección II-D de ASME, 'Propiedades', que respalda los códigos generales de construcción para recipientes a presión, secciones VIII-1 y VIII-2 de ASME (estas últimas ofrecen una ruta de diseño más avanzada).En ASME II-D, el OT máximo se establece explícitamente como 316 °C para la mayoría de las aleaciones dúplex.
Para aplicaciones de tuberías de presión, tanto las reglas de diseño como las propiedades del material se dan en ASME B31.3.En este código, se proporcionan datos mecánicos para aleaciones dúplex hasta 316 °C sin una declaración clara del OT máximo.Sin embargo, se puede interpretar que la información cumple con lo escrito en ASME II-D y, por lo tanto, el OT máximo para los estándares americanos es en la mayoría de los casos 316 °C.
Además de la información OT máxima, tanto los estándares americanos como los europeos implican que existe el riesgo de encontrar fragilización a temperaturas elevadas (>250 °C) en tiempos de exposición más prolongados, lo que luego debe considerarse tanto en la fase de diseño como en la de servicio.
Para las soldaduras, la mayoría de las normas no hacen declaraciones firmes sobre el impacto de la descomposición espinodal.Sin embargo, algunas normas (por ejemplo, ASME VIII-1, Tabla UHA 32-4) indican la posibilidad de realizar tratamientos térmicos específicos post-soldadura.Estos no son obligatorios ni prohibidos, pero al realizarlos se deben realizar según parámetros preestablecidos en la norma.
Lo que dice la industria
Se revisó la información producida por varios otros fabricantes de acero inoxidable dúplex para ver qué comunican con respecto a los rangos de temperatura para sus grados.2205 está limitado a 315 °C por ATI, pero Acerinox fija el OT para el mismo grado en sólo 250 °C.Estos son los límites de OT superior e inferior para el grado 2205, mientras que entre ellos Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) y ArcelorMittal (280 °C) comunican otros OT.Esto demuestra la generalización de OT máximos sugeridos solo para un grado que poseerá propiedades muy comparables de un fabricante a otro.
No siempre se revela el razonamiento de fondo de por qué un fabricante ha establecido un determinado OT.En la mayoría de los casos, esto se basa en un estándar particular.Diferentes estándares comunican diferentes OT, de ahí la dispersión de valores.La conclusión lógica es que las empresas americanas fijan un valor más alto debido a las declaraciones de la norma ASME, mientras que las empresas europeas fijan un valor más bajo debido a la norma EN.
¿Qué necesitan los clientes?
Dependiendo de la aplicación final, se esperan diversas cargas y exposiciones de los materiales.En este proyecto, la fragilización debida a la descomposición espinodal fue de gran interés, ya que es muy aplicable a recipientes a presión.
Sin embargo, existen varias aplicaciones que exponen los grados dúplex a cargas mecánicas medias únicamente, como los depuradores11–15.Otra solicitud estaba relacionada con las aspas y los impulsores de ventiladores, que están expuestos a cargas de fatiga.La literatura muestra que la descomposición espinodal se comporta de manera diferente cuando se aplica una carga de fatiga15.En esta etapa, queda claro que el OT máximo de estas aplicaciones no se puede establecer de la misma manera que para los recipientes a presión.
Otra clase de solicitudes es únicamente para aplicaciones relacionadas con la corrosión, como los depuradores de gases de escape marinos.En estos casos, la resistencia a la corrosión es más importante que la limitación OT bajo una carga mecánica.Sin embargo, ambos factores impactan en el funcionamiento del producto final, lo que debe tenerse en cuenta a la hora de indicar el OT máximo.Nuevamente este caso difiere de los dos casos anteriores.
En general, al asesorar a un cliente sobre el OT máximo adecuado para su grado dúplex, el tipo de aplicación es de vital importancia a la hora de establecer el valor.Esto demuestra aún más la complejidad de establecer un único OT para un grado, ya que el entorno en el que se implementa el material tiene un impacto significativo en el proceso de fragilización.
¿Cuál es la temperatura máxima de funcionamiento para dúplex?
Como se mencionó, la temperatura máxima de funcionamiento está determinada por la muy baja cinética de descomposición espinodal.Pero, ¿cómo medimos esta temperatura y qué son exactamente las “cinéticas bajas”?La respuesta a la primera pregunta es fácil.Ya hemos dicho que las mediciones de tenacidad se realizan comúnmente para estimar la velocidad y el progreso de la descomposición.Esto está establecido en los estándares seguidos por la mayoría de los fabricantes.
La segunda pregunta, sobre qué se entiende por cinética baja y el valor en el que establecemos un límite de temperatura, es más compleja.Esto se debe en parte a que las condiciones límite de temperatura máxima se compilan tanto a partir de la temperatura máxima (T) en sí como del tiempo de funcionamiento (t) durante el cual se mantiene esta temperatura.Para validar esta combinación Tt, se pueden utilizar varias interpretaciones de la tenacidad "más baja":
• El límite inferior, que se establece históricamente y se puede aplicar para soldaduras, es 27 julios (J)
• Dentro de las normas, la mayoría de las veces se establece como límite 40J.
• También se aplica con frecuencia una disminución del 50% en la tenacidad inicial para establecer el límite inferior.
Esto significa que una declaración sobre la OT máxima debe basarse en al menos tres supuestos acordados:
• Temperatura-tiempo de exposición del producto final
• El valor mínimo aceptable de tenacidad
• Campo de aplicación final (sólo química, carga mecánica sí/no, etc.)
Conocimiento experimental fusionado
Tras un amplio estudio de datos experimentales y estándares, ha sido posible compilar recomendaciones para los cuatro grados dúplex analizados (consulte la Tabla 3). Debe reconocerse que la mayoría de los datos se crean a partir de experimentos de laboratorio realizados con pasos de temperatura de 25 °C. .
También cabe señalar que estas recomendaciones hacen referencia a que al menos el 50% de la tenacidad permanezca en RT.Cuando en la tabla se indica "período de tiempo más largo", no se ha documentado una disminución significativa en la RT.Además, la soldadura sólo ha sido probada a -40 °C.Finalmente, cabe señalar que se prevé un mayor tiempo de exposición para DX 2304, considerando su alta tenacidad después de 3.000 horas de prueba.Sin embargo, se debe verificar hasta qué punto se puede aumentar la exposición mediante pruebas adicionales.
Hay tres puntos importantes a tener en cuenta:
• Los hallazgos actuales indican que si hay soldaduras, la OT disminuye aproximadamente 25 °C.
• Los picos de temperatura a corto plazo (decenas de horas a T=375 °C) son aceptables para DX 2205. Como DX 2304 y LDX 2101 son grados de menor aleación, también deberían ser aceptables picos de temperatura comparables a corto plazo.
• Cuando el material se vuelve quebradizo debido a la descomposición, el tratamiento térmico de mitigación a 550 – 600 °C para DX 2205 y 500 °C para SDX 2507 durante 1 hora ayuda a recuperar la tenacidad en un 70%.
Hora de publicación: 04-feb-2023