CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS MATERIALESMATERIALES

– – SESION 1. PARTE I –SESION 1. PARTE I –

GERENCIA DE FISCALIZACIÓN DE HIDROCARBUROS LÍQUIDOSDIVISIÓN DE PLANEAMIENTO Y DESARROLLO

UNIDAD DE NORMAS Y PROCEDIMIENTOS

ABRIL 2012

INTRODUCCION

El objetivo del Curso Virtual elaborado por OSINERGMIN sobre el Gas Licuado de Petróleo (GLP), es proveer a las personas interesadas en este tema de los conocimientos técnicos y las herramientas necesarias que les permitirá estar en capacidad de poder evaluar los proyectos de las instalaciones de GLP que son supervisadas o fiscalizadas por OSINERGMIN.

En el primer curso se explicaron los conceptos básicos del GLP, empezando con su historia luego su composición, obtención, propiedades, características, uso y operación. En este segundo curso explicaremos todo lo relacionado a los materiales y equipos utilizados en las distintas instalaciones de GLP, para lo cual, el presente curso se ha dividido en tres sesiones.

En esta primera sesión denominada “Características Generales de los Materiales” se proporcionará los conceptos básicos que serán de utilidad para la aplicación de los distintos materiales en las instalaciones de GLP. Está sesión se ha dividido en dos segmentos:

1.Tipos de materiales para las instalaciones de GLP.

2. Conceptos básicos utilizados en la clasificación de los materiales en las instalaciones de GLP.

TIPOS DE MATERIALES PARA INSTALACIONES DE GLP

INFORMACION GENERAL

Se dice que existen más de 50 000 materiales disponibles para el ingeniero. En el diseño de una estructura o dispositivo, ¿cómo elegirá el ingeniero entre un menú tan amplio el material más adecuado? Los errores pueden causar desastres. Durante la Segunda Guerra Mundial, un tipo de barco mercante fabricado por soldadura sufrió grandes pérdidas pero no causadas por el enemigo, sino a causa de que se partió por la mitad en el mar: la tenacidad a la fractura del acero, en particular la de las soldaduras 1-1, era muy pequeña. Más recientemente, tres aviones Comet se perdieron antes de que se cayera en la cuenta de que el valor de diseño de la resistencia a la fatiga –para los marcos de las ventanillas– era superior a la del material elegido. Quizás, ustedes mismo tendrán experiencias negativas a causa de un mal diseño en aparatos de plástico: sus frecuentes fallos se deben a que el que los diseñó probablemente no consideró el bajo módulo que tienen los polímeros.

Por ello, es vital que el ingeniero profesional conozca cómo se seleccionan los materiales y sepa cuál se ajusta a las demandas del diseño, económicas y estéticas, así como de resistencia y durabilidad. El diseñador debe comprender las propiedades de los materiales y sus limitaciones.

En la Tabla 1 se listan estas propiedades de los materiales junto con otras que debe considerar el diseñador a la hora de elegir un material.

INFORMACION GENERAL

Tabla 1. Tipos de Propiedades

TIPOS DE MATERIALES

Metales PolímerosCerámicos y

VidriosCompuestos* Naturales

Ferrosos

No Ferrosos

- Hierro dulce- Acero- Fundiciones

Aleaciones: - Pesadas Cu, Pb, Zn- Ligeras Al, Ti- UltraligerasMg, Be

- Polietileno (PE)- Poliamidas – nailon (PA)- Poliestireno (PS)- Poliuretano (PU)- Policloruro de vinilo (PVC)- Resinas epoxi (EP)- Elastómeros, como el caucho natural

- Alúmina –esmeril, zafiro– (Al2O3)- Magnesia (MgO)- Sílice (SiO2), vidrio y silicatos- Carburo de silicio (SiC)- Nitruro de silicio (Si3N4)- Cemento y hormigón

- Polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP)- Polímeros reforzados con fibras de carbono (CFRP)- Polímeros cargados- Cermets

- Madera- Piel- Algodón, lana, seda- Hueso.

* En la actualidad se utilizan materiales compuestos para la fabricación de cilindros, como una alternativa a la fabricación tradicional de cilindros de acero.

Solo ciertos tipos de metales (ferrosos y no ferrosos) y algunos polímeros son utilizados en las instalaciones de GLP, dado que están permitidos por la normativa vigente. En estos materiales nos enfocaremos más adelante, a fin de conocer sus propiedades y características.

TIPOS DE MATERIALES

Metales Ferrosos

Un material es ferroso o férrico cuando su componente principal es el hierro (Fe). Normalmente posee pequeñas cantidades de Carbono (C) que se han incorporado en el proceso de obtención, y otros metales incorporados, para que la aleación resultante adquiera propiedades especiales.

El Fe puro no presenta buenas propiedades mecánicas, por lo que tiene muy pocas aplicaciones técnicas.

Hierro dulce: C < 0,1%Aceros: 0,1 % < C < 2%

Fundiciones: 2 %< C < 7%

Las aleaciones (mezcla de dos o más materiales, donde al menos uno, de forma mayoritaria es un metal) con un contenido de carbono superior, carecen de interés industrial porque son demasiado frágiles.

Características del hierro puro:Es un material magnético (ferromagnético).Color blanco azulado.Muy dúctil y maleable.Punto de fusión: aproximadamente 1500º CDensidad alta (7,87 g/cm3.)Buen conductor del calor y la electricidad.Se corroe y oxida con mucha facilidad.Es un metal blando.Bajas propiedades mecánicas (al corte, limado, conformado, etc.).

En la industria, el hierro se emplea aleado con carbono y otros materiales, lo que mejora mucho sus propiedades. Una aleación de Fe + C es un producto siderúrgico, que se define como toda sustancia férrea que ha sufrido un proceso metalúrgico.

Hierro dulce

Acero

Fundiciones

TIPOS DE MATERIALES

Metales Ferrosos

Hierro dulce

Acero

Fundiciones

Tiene un contenido en carbono inferior al 0,1 %. En estas condiciones puede considerarse químicamente puro. Es un material de color plateado, de gran permeabilidad magnética, dúctil y maleable. Admite la forja, por lo que también se le denomina hierro forjado. Puede obtenerse por procedimientos electrolíticos, a partir de baños de sulfato y cloruro de hierro. El material que resulta se emplea para conducción eléctrica por su baja resistividad. Sin embargo, resulta muy poroso, se oxida con gran facilidad y presenta con frecuencia grietas internas que lo hacen poco útil para otras aplicaciones industriales.

El arrabio o fundición de primera fusión cuando solidifica resulta un material muy duro, pero su contenido en carbono y otras impurezas hace que sea frágil y quebradizo y que no admita la forja ni la soldadura. En estas condiciones no puede utilizarse para fabricar piezas que vayan a estar sometidas a esfuerzos.Según las impurezas que contiene, se distinguen la fundición gris y la fundición blanca, nombre que reciben por el aspecto que presenta su superficie de fractura.

La fundición gris se obtiene cuando el contenido de silicio es elevado. El carbono cristaliza entonces en forma de grafito y sólo puede emplearse para piezas moldeadas.La fundición blanca se obtiene cuando el contenido de manganeso es elevado. En estas condiciones, el carbono se combina con el hierro formando carburo de hierro y se utiliza como una de las materias primas para la obtención del acero.

TIPOS DE MATERIALES

Metales Ferrosos

Hierro dulce

Acero

Fundiciones

Acero es la denominación que comúnmente se le da en ingeniería metalúrgica a una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0.1% y 2% en peso de su composición, aunque normalmente estos valores se encuentran entre el 0,2% y el 0,3%.

El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas

Aceros comerciales

Aceros al carbono: Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre.

Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran tanques de GLP, máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas.

Aceros aleados: Contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros de aleación se pueden clasificar a su vez en :Estructurales. Se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. También se utilizan en estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes y barcos. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%.Para herramientas. Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales; taladros, escariadores, fresas, terrajas y machos de roscar.Especiales. Son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos.

TIPOS DE MATERIALES

Metales Ferrosos

Hierro dulce

Acero

Fundiciones

En el siguiente diagrama se puede observar el proceso productivo del acero. Asimismo, para un mayor detalle, ver la animación “El Ciclo del Acero” en el siguiente link: http://apta.com.es/otua/otuaesp.html

Aceros inoxidables: Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.

Aceros de baja aleación ultrarresistentes: Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.

TIPOS DE MATERIALES – EL ACERO

TIPOS DE MATERIALES

Metales No Ferrosos

Aunque los metales ferrosos son los más utilizados, el resto de los metales (los no ferrosos) son cada día más imprescindibles.

Clasificación

Pesados: Son aquellos cuya densidad es igual o mayor a 5 gr/cm3. Se encuentran en este grupo el cobre, el estaño, el plomo, el cinc, el níquel, el cromo y el cobalto entre otros.

Ligeros: Tienen una densidad comprendida entre 2 y 5 gr/cm3. Los más utilizados son el aluminio y el titanio.

Ultraligeros: Su densidad es menor a 2 gr/cm3. Se encuentran en este grupo el berilio y el magnesio, aunque el primero de ellos raramente se encuentra en estado puro, sino como elemento de aleación.

Todos estos metales no ferrosos, en estado puro, son blandos y poseen una resistencia mecánica bastante reducida. Para mejorar sus propiedades, los metales puros suelen alearse con otros.

Cobre

Latón

Titanio Magnesio Aluminio Níquel

TIPOS DE MATERIALES

Metales No Ferrosos

Propiedades:Es uno de los metales no ferrosos de mayor utilización.Tiene un color rojo-pardo.Su conductividad eléctrica es elevadaSu conductividad térmica también es elevada.Es un metal bastante pesado, su densidad es 8.9gr/cm3.Relativamente blandoEs muy dúctil y maleable.Resiste muy bien la corrosión y la oxidación (a la intemperie se recubre de una capa de carbonato verdosa –cardenillo- que le protege de la oxidación posterior)

Aplicaciones del cobre:Su principal aplicación es como conductor eléctrico, pues su ductilidad le permite transformarlo en cables de cualquier diámetro.Por su alta resistencia a la oxidación se emplea en instalaciones de tuberías y calderas en intercambiadores de calor.

Cobre

Latón

TIPOS DE MATERIALES

Metales No Ferrosos

Características:Es una aleación de Cu con ZnMenos resistente que el CuSoporta mejor el agua y el vaporUso en casquillos de ajuste de piezas mecánicasSe añade Cu (moldeabilidad), Sn y Al (resistencia a la corrosión marina) o Pb (capacidad de mecanizado) para mejorar las propiedades.

Aplicaciones:Por tener un color amarillo brillante, con gran parecido al oro, se utiliza en joyería conocida como bisutería, y elementos decorativos. En fabricación de armamento, calderería, soldadura, alambres, tubos de condensador, terminales eléctricas, dinero moneda, así como en instrumentos musicales (ej. Saxofon). Como no es atacado por el agua salada, se usa mucho en las construcciones de barcos, en equipos pesqueros y marinos,El latón no produce chispas por impacto mecánico, una propiedad atípica en las aleaciones. Esta característica convierte al latón en un material importante en la fabricación de envases para la manipulación de compuestos inflamables. Por su fácil maquinado y buen precio de recompra de las virutas se usa mucho para la fabricación de válvulas para uso industrial.

Cobre

Latón

TIPOS DE MATERIALES

Polímeros

Los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros .

Propiedades:Elevado poder dieléctrico, Es de fácil teñido en todos los tonos y colores, De baja densidad, que varía entre 0,9 y 1,5 Su elevada resistencia mecánica los hace resistentes a la rotura y al desgaste, De fácil obtención a bajas temperaturas, lo que permite su fabricación en gran escala. Son de gran valor su inercia química, que los hace inatacables por los ácidos y bases y por los agentes atmosféricos,

Estas valiosas cualidades han dado lugar a la producción industrial de un gran número de altos polímeros, conocidos técnicamente como plásticos, resinas, elastoplásticos y fibras sintéticas, los cuales van invadiendo todos los campos de aplicación de los productos convencionales, tal como metales, porcelana, madera, gomas, seda, algodón, etc., puesto que en muchos casos son incluso más baratos que éstos.

Clasificación según el proceso de obtención:Polímeros naturales. Existen en la naturaleza muchos polímeros y las biomoléculas que forman los seres vivos son macromoléculas de polímeros. Ej.: Las proteínas, la celulosa, el caucho natural, etc.

Polímeros semisintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Ej.: La nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.

Polímeros sintéticos. Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir de los monómeros. Ej.: El nailon, el poliestireno, el policloruro de vinilo (PVC), el polietileno, poliamida, etc.

Polietileno

Poliamidas

TIPOS DE MATERIALES

Polímeros

El polietileno (PE) es químicamente el polímero más simple. Se representa con su unidad repetitiva (CH2-CH2)n. Es uno de los plásticos más comunes, debido a su alta producción mundial (aproximadamente 60 millones de toneladas anuales alrededor del mundo) y a su bajo precio.

Es químicamente inerte. Se obtiene de la polimerización del etileno (de fórmula química CH2=CH2 y llamado eteno por la IUPAC), del que deriva su nombre.

PEBD (Polietileno de Baja Densidad): Bolsas de todo tipo (Ej.: congelados, industriales, etc.;Base para pañales desechables;Bolsas para suero;Contenedores herméticos domésticos;Tubos y pomos: cosméticos, medicamentos y alimentos;Tuberías para riego.Envasado automático de alimentos y productos industriales: leche, agua, plásticos, etc.;

PEAD (Polietileno de Alta Densidad): Cajones para pescados, gaseosas, cervezas;Envases para pintura, helados, aceites;Guías de cadena, piezas mecánicas.Biberones para bebéJuguetesEnvases para: detergentes, lejía, aceites automotor, lácteos, etc.Tuberías para gas, telefonía, agua potable, minería, láminas de drenaje y uso sanitario;También se usa para recubrir lagunas, canales, fosas de neutralización, depósitos de agua, recubrimientos interiores de depósitos, plantas de tratamiento de aguas, lagos artificiales, canalones de lámina, etc..

Polietileno

Poliamidas

Símbolo de que el polietileno de baja

densidad es reciclable.

TIPOS DE MATERIALES

Polímeros

Una poliamida es un tipo de polímero que contiene enlaces de tipo amida (o amina ácida, es compuesto orgánico que consiste en una Amina unida a un Acido Carboxilico). Las poliamidas se pueden encontrar en la naturaleza, como la lana o la seda, y también ser sintéticas, como el nailon o el Kevlar

Las poliamidas se pueden aditivar con fibra de vidrio, molibdeno, grafito, teflón. Con ello conseguimos aumentar la resistencia a la fricción , al calor, aumentar el impacto, estabilidad dimensional. También los podemos encontrar ignífugas.

Las poliamidas son materiales versátiles que se utilizan en numerosas aplicaciones; automoción, equipos industriales, maquinaria, engranajes, soportes, y en general en piezas que sufran mecánicamente.

Características: Rango de temperatura de trabajo -40ºC +90ºC. Alta resistencia mecánica. Buena resistencia a la fatiga. Alto poder amortiguador. Buenas propiedades de deslizamiento. Resistencia sobresaliente al desgaste. Autoextingible. .

Polietileno

Poliamidas

MUCHAS GRACIAS