Cómo soldar acero al 9% de níquel

El límite de baja temperatura para la aplicación segura de acero sin alear es de alrededor de -29 ° C (por ejemplo, placas ASTM A283). Los tratamientos térmicos como la normalización podrían reducir este límite a -50 ° C (por ejemplo, ASTM A516) pero sin alear el acero, eso es todo lo que puede llegar.

El acero con nueve por ciento de níquel es a menudo el material de construcción más económico para recipientes de mayor tamaño fabricados en taller para servicio hasta -320 ° F donde se requiere alta resistencia. Los aceros al níquel no presentan un comportamiento “inoxidable” y pueden oxidarse u oxidarse en muchos ambientes. Por esta razón, los aceros no son adecuados para el almacenamiento de gases como el argón donde la contaminación puede ser un problema, por ejemplo, aplicaciones de semiconductores.

Una aplicación más grande de acero al níquel al 9% es para grandes tanques de almacenamiento de GNL en campo y para buques de contención en buques cisterna de GNL. Las prácticas de soldadura para la construcción en campo pueden ser similares a los procedimientos de taller, aunque los fabricantes a menudo desarrollan procedimientos de soldadura patentados para ciertas soldaduras. Los códigos aplicables para la construcción de campo suelen ser diferentes de los que se utilizan para los recipientes fabricados en taller.

¿Qué es el acero al níquel al 9% y su importancia ?

Las propiedades únicas del acero al níquel al 9% provienen de su estructura cristalina. Teóricamente, se puede demostrar que los materiales exhiben un comportamiento dúctil si su estructura cristalina exhibe 5 “sistemas de deslizamiento” distintos, lo que significa que los átomos que forman el sólido pueden dislocarse fácilmente de 5 formas diferentes.

El acero típico tiene solo 2 o 3 sistemas de deslizamiento a bajas temperaturas. Sin embargo, el níquel presenta una gran cantidad de sistemas de deslizamiento, que persisten incluso a bajas temperaturas. En efecto, el níquel nunca sufre una transformación dúctil-frágil. Además, estos sistemas de deslizamiento persisten incluso cuando el níquel se alea con otros metales. El número mágico resulta ser el 9%: cuando el acero se fabrica con esta proporción de níquel, el metal contiene una pequeña proporción de granos de acero “austeníticos” que son intrínsecamente dúctiles. Aunque estos granos representan solo alrededor del 4% del volumen del acero, son suficientes para imbuirlo de una resistencia a los efectos debilitantes de las bajas temperaturas, mientras retienen la mayor tenacidad posible.

Especificación del material para acero al 9% de Ni

Número ASME P: P-No. P11A Grupo 1

Dos especificaciones de materiales ampliamente utilizadas para placas de acero con 9% de níquel son:
1. ASTM SA-353 / SA-353M, Especificación para placas de recipientes a presión, acero de aleación, 9% de níquel, doble normalizado y templado.

2. ASTM SA-553 / SA-553M, Especificación para placas de recipientes a presión, acero de aleación, templado y revenido con 8 y 9% de níquel.

Las especificaciones de material para la placa de níquel al 9% (UNS K81340) destinada a recipientes a presión criogénicos son ASTM A353 (doble normalizado); ASTM A553 Tipo I (templado y revenido); ASME Sección II, Parte A, SA353 y SA553; y API Standard 620 Apéndice Q, A353 y A553.
Las reglas para el diseño, fabricación y prueba de recipientes a presión están dadas por la Sección VIII del Código ASME, Divisiones 1 y 2 (incluidos los Casos de Código aplicables 2214, 2335 y 2345), Componentes de la Sección III Clase 3 y la Norma API 620 Apéndice Q.

Propiedades químicas del acero al níquel al 9%

Cómo soldar acero al 9% de níquel

Propiedades mecánicas del acero al 9% de Ni

Debido a su alta resistencia y buena tenacidad a temperaturas de servicio de hasta -196 ° C, el acero al 9% de níquel se usa ampliamente en la fabricación y construcción de tanques de GNL y recipientes criogénicos. Su grado más bajo (es decir, A353) tiene un alto límite elástico (515 MPa / 75 ksi) que es considerablemente más alto que su competencia de acero inoxidable austenítico como el grado SS304 (205 MPa / 30 ksi) y podría reducir el espesor y el peso de las placas. al 40%.

Cómo soldar acero al 9% de níquel

Requisitos de impacto API y ASME para acero al 9% de Ni

Cómo soldar acero al 9% de níquel

Microestructura de acero al níquel al 9%

Por lo general, las placas para recipientes a presión de acero al níquel al 9% se pueden suministrar en condiciones de  doble normalización y templado  (ASTM A353), templado y templado (ASTM A553) o templado directo y templado (ASTM A844). La microestructura del acero al 9% de níquel después del tratamiento térmico consiste en martensita templada fina y austenita retenida apreciable (aproximadamente del 5% al ​​15% del tamaño de la estructura) que contribuye a la excelente tenacidad criogénica de este acero. Dado que la adición de aleación de aproximadamente un 9% de níquel también suprime la formación de fases de transformación de alta temperatura de ferrita / perlita, también se alcanza una resistencia relativamente más alta.

Cómo soldar acero al 9% de níquel

Preocupaciones sobre la soldabilidad del acero al níquel al 9%

Si bien la soldabilidad de estas aleaciones no es un problema, lograr resultados satisfactorios requiere una selección cuidadosa del proceso de soldadura y los consumibles y también un estrecho control de los parámetros de soldadura durante las etapas de calificación y fabricación. Las consideraciones más importantes para la soldadura de acero con níquel al 9% son las siguientes:

  • Siempre consulte con el fabricante del metal de aporte  antes de preparar su WPS y durante las operaciones de soldadura.
  • Utilice metales de aportación a base de Ni:  aquí hay dos opciones principales; (1) metales de aporte de acero inoxidable austenítico y (2) consumibles a base de Ni. En general, los metales de aportación a base de Ni producen soldaduras con mejores propiedades mecánicas y han demostrado ser más rentables.
  • El coeficiente de expansión térmica (CoE) de los metales de soldadura a base de níquel se asemeja mucho al del propio acero al 9% de níquel; este valor es 50% más alto para el metal de soldadura de acero inoxidable austenítico con un mayor riesgo asociado de fatiga térmica en las operaciones de ciclo.
  • Entre los metales de relleno a base de Ni disponibles, el  NiCrMo-6  es actualmente la opción más popular. En general, si necesita una mayor resistencia a la tracción de la soldadura,   se prefieren los consumibles de NiCrMo (familia Inconel) . Los fabricantes también utilizan  metales de aporte de NiMoCr  (familia Hastelloy)  por su mayor ductilidad y su resistencia al agrietamiento en caliente (debido a un mayor contenido de Mo). Este tipo de metal de aportación se utiliza principalmente en operaciones de soldadura SAW de alta velocidad.
  • Desmagnetice  las placas antes de soldar y  use corriente alterna  para soldar. El acero al níquel al 9% podría magnetizarse fácilmente y provocar el soplo del arco de soldadura.
  • Mantenga la entrada de calor baja ; la temperatura máxima entre pasadas debe ser de 150 ° C y la entrada de calor no debe exceder los 2 y 3 KJ / mm para SMAW y SAW respectivamente.
  • No use PWHT a menos que sea absolutamente necesario  (es decir, requerido por el código). La aplicación de PWHT sobre esta aleación tiene un efecto negativo sobre las propiedades de tracción.
  • Manténgalo limpio: las soldaduras a base de Ni son susceptibles al agrietamiento en caliente y requieren un alto nivel de limpieza.
  •  Trate de evitar juntas muy restringidas que aumentan la probabilidad de agrietamiento de la línea central en las soldaduras depositadas por consumibles a base de Ni totalmente austeníticos.

Factores que afectan las propiedades de la soldadura a baja temperatura

  1. Ferrita baja. Es bien sabido que la ferrita en soldaduras de acero inoxidable austenítico, por ejemplo, 4 a 8 FN, es un fuerte disuasivo de microfisuras y grietas. Sin embargo, la ferrita de más de 3 a 4 FN reduce la resistencia al impacto a baja temperatura, mientras que la ferrita tan baja como sea posible, o incluso fuertemente austenítica, proporciona una mayor resistencia al impacto. Un compromiso seguro de aproximadamente 2 FN produce la mayor resistencia al impacto posible y una buena resistencia al agrietamiento en caliente. La forma de la ferrita del metal de soldadura también afecta la resistencia al impacto, sin embargo, este es un factor que es difícil de controlar para los talleres de producción.
  2. Bajo en carbon. El bajo contenido de carbono, preferiblemente en el intervalo de 0,03% o menos, proporciona una mejor tenacidad del metal de soldadura.
  3. Nitrógeno bajo. El nitrógeno aumenta la resistencia a la tracción y el límite elástico de las soldaduras de acero inoxidable, pero disminuye la tenacidad a baja temperatura. Un estudio sugiere que el depósito de soldadura de los tipos 304 y 316L se mantiene preferiblemente por debajo del 0,05% de nitrógeno.
  4. Níquel superior. Se ha encontrado que un níquel más alto, dentro del rango de especificación permisible, aumenta la tenacidad del metal de soldadura. Algunas investigaciones indican que la tenacidad de la soldadura aumenta significativamente cuando el níquel aumenta del 1 al 20%; sin embargo, el relleno inoxidable con mayor contenido de níquel no se ha comercializado.
  5. Electrodos tipo cal. Los electrodos de tipo cal para soldadura por arco metálico blindado (SMAW) tienen una mayor tenacidad a bajas temperaturas que los electrodos de titania y son en gran parte el electrodo estándar para componentes criogénicos.
  6. Contenido de inclusión de metal de soldadura bajo. Se ha demostrado que en las soldaduras Tipo 316L, un bajo contenido de inclusión aumenta la tenacidad a baja temperatura. El proceso de soldadura y el procedimiento de soldadura pueden tener una gran influencia en el contenido de inclusión. Por ejemplo, los fabricantes generalmente encuentran que el proceso de soldadura por arco metálico con gas (GMAW) es más confiable que el proceso de soldadura por arco sumergido (SAW) para cumplir con la prueba de impacto de soldadura de producción requerida a temperaturas por debajo de -325 ° F. Dado que las inclusiones de soldadura suelen ser algún tipo de óxido, los niveles bajos de oxígeno en el gas protector ayudan a mantener las inclusiones al mínimo.

Precalentar para acero al níquel al 9%

Las juntas de precalentamiento en acero al 9% de níquel hechas con metales de soldadura austeníticos son relativamente inmunes a las dificultades de agrietamiento en frío. No obstante, se sugiere que las placas de más de 25 mm (1 pulgada) de espesor se precalienten a aproximadamente 35ºC (100ºF) y que las placas más ligeras no se suelden por debajo del punto de rocío. El Caso 2214 del Código de la Sección VIII proporciona información adicional sobre los requisitos de precalentamiento en situaciones especiales.

Post calentamiento (PWHT) para acero al 9% de Ni

Tratamiento térmico posterior a la soldadura Excepto según lo dispuesto por los requisitos de fabricación de ULT-79, el Código ASME no requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura para níquel al 9% hasta un espesor de 2 pulgadas (51 mm) inclusive. Consulte AF630.1 (División 2) y UHT56 (División 1). Cuando se realiza un tratamiento térmico posterior a la soldadura, es necesario controlar la temperatura dentro del rango de 1025-1085ºF (551-583ºC) pero no por encima de la temperatura de revenido y enfriar a una velocidad no menor a 300ºF (167ºC) por hora para evitar una posible reducción de la tenacidad de la muesca del acero.