quim.instal. upc - diseño de equipos e instalaciones

Diseo de equipos e instalaciones

ndice 5

ndice

1. Introduccin ........................................................................................................................................... 7 1.1. Criterios de seleccin de materiales para las plantas qumicas................................................. 7 1.2. Identificacin de materiales en planta....................................................................................... 9

2. Aceros inoxidables ............................................................................................................................... 15 2.1. Fundamentos de la resistencia a la corrosin de los aceros inoxidables ................................. 15 2.2. Tipos de corrosin de los aceros inoxidables y formas de combatirlos .................................. 19 2.3. Resistencias de los distintos aceros inoxidables frente a los diferentes medios agresivos...... 25

3. Otros metales: Aluminio. Nquel. Titanio. Refractarios ...................................................................... 33 3.1. Aluminio y sus aleaciones ...................................................................................................... 33 3.2. Nquel y sus aleaciones........................................................................................................... 36 3.3. Titanio y sus aleaciones .......................................................................................................... 39 3.4. Metales refractarios ................................................................................................................ 42

4. Materiales plsticos .............................................................................................................................. 49 4.1. Diseo de materiales composites para ambientes corrosivos.................................................. 49 4.2. Aplicaciones a tanques con agitacin ..................................................................................... 52 4.3. Seleccin de plsticos para bombas y tuberas ....................................................................... 52 4.4. Seleccin del recubrimiento.................................................................................................... 54 4.5. Aceros utilizados para ser recubiertos .................................................................................... 55 4.6. Breves recomendaciones para el diseo de este tipo de instalaciones .................................... 56

5. Otros materiales: Refractarios .............................................................................................................. 59 5.1. Refractarios no metlicos........................................................................................................ 59 5.2. Cermets................................................................................................................................... 60 5.3. Diseo de sistemas refractarios............................................................................................... 62

6. Diseo de Aparatos .............................................................................................................................. 63 6.1. Aparatos a presin ................................................................................................................. 63 6.2. Uniones: Soldaduras. Adhesivos. Juntas y bridas .................................................................. 71

7. Inspeccin de materiales: Ensayos no destructivos .............................................................................. 97 7.1. Ensayos no destructivos.......................................................................................................... 97

Preguntas de Sntesis ............................................................................................................................... 101Bibliografa .............................................................................................................................................. 115Problemas ................................................................................................................................................ 117Prcticas .................................................................................................................................................. 131Anexo ....................................................................................................................................................... 151

Introduccin 7

1. Introduccin

1.1. Criterios de seleccin de materiales para las plantas qumicas

La corrosin es la causa principal de la destruccin de los equipos de la industria

qumica. La mayora de destrucciones pueden prevenirse escogiendo adecuadamente los

materiales dentro de la gama muy amplia que dispone el ingeniero. Entre ellos estn no

solamente los metales, sino tambin los plsticos (termoestables y termoplsticos),

cauchos, materiales cermicos y pinturas.

En las plantas que operan en continuo, por ejemplo las refineras de petrleo e

instalaciones petroqumicas, las prdidas de produccin debidas a deterioros por

corrosin son tan costosas que justifican el uso de los materiales ms caros, por ejemplo

el tntalo en intercambiadores de calor de unidades de recuperacin de cido. En

instalaciones ms sencillas, puede ser ms econmico seleccionar materiales de menor

costo y programar limpiezas frecuentes de los equipos para prevenir la corrosin.

Son esenciales para un buen diseo:

- tamao de la planta

- condiciones de trabajo

- tipo de corrosin

- adecuada informacin de los materiales que se pueden escoger

- sus caractersticas frente a la corrosin

- cuestiones econmicas

Diseo de equipos e instalaciones8

Para asegurar la solucin ms econmica en problemas de corrosin es necesario

estudiar el tipo de corrosin que tiene lugar y conocer las condiciones en que opera el

equipo, no solamente las normales, sino los posibles casos circunstanciales, por ejemplo

paradas o puesta en marcha del equipo.

No suele ser interesante econmicamente disear una planta que est libre totalmente de

corrosin. Velocidades de 0,1 mm/ao e incluso hasta 5-6 mm/ao suelen ser tolerables,

dependiendo del coste de los materiales alternativos y del grado de contaminacin que

puede aceptarse.

En las plantas de fabricacin de productos farmacuticos, donde la contaminacin es

inaceptable, es necesario realizar recubrimientos, por ejemplo a base de resinas epoxi, y

en caso de temperaturas muy elevadas hay que acudir a los de tefln, a pesar de su

elevado coste y difcil aplicacin.

Los cdigos para recipientes a presin preveen las condiciones de corrosin al indicar

los espesores de las paredes. Segn el tipo de corrosin. generalizada, picaduras, bajo

tensiones, con fatiga, intergranular,etc., se proponen diferentes soluciones.

A menudo la corrosin puede prevenirse mejor cuidando pequeos detalles en el diseo

que seleccionando los materiales ms resistentes.

El cido sulfrico concentrado en fro puede transportarse en tuberas de acero al

carbono, siempre que la velocidad de circulacin sea inferior a 1m/seg. Debido a ello,en

este caso es mejor utilizar tuberas de acero al carbono de dimetros grandes que

tuberas de acero inoxidable de dimetros pequeos.

Si los serpentines de calefaccin de tanques que contienen sosa custica se colocan

fuera del tanque, pueden ser de acero al carbono, pero si se colocan en el interior deben

ser de aleaciones de nquel, ya que el acero al carbono est sujeto a la fragilidad

custica.

La corrosin por picadura de aceros inoxidables en intercambiadores de calor de

salmueras puede prevenirse eliminando los restos de salmuera cuando no se utiliza el

equipo.

La corrosin en las unidades de refineras de cidos politinicos puede prevenirse

neutralizando las condensaciones que se producen cuando las unidades estn paradas.

Introduccin 9

Despus de seleccionar los materiales hay que asegurarse que han sido fabricados con

las especificaciones correctas.

Las tuberas soldadas son menos costosas que las sin costura, pero en condiciones

corrosivas hay que especificar el tratamiento trmico a que debe someterse el material

despus de la soldadura. La norma ASTM A312, que cubre tuberas sin costura de acero

inoxidable austentico de la serie 300, indica que es indispensable un tratamiento a

1400 despus de la fabricacin.

Es indispensable adjuntar un Pliego de Condiciones detallado para cada caso.

1.2. Identificacin de materiales en la planta

Con objeto de revisar si los materiales de los diferentes equipos e instalaciones son los

adecuados, es interesante disponer de una serie de tests de fcil aplicacin in situ; entre

ellos indicaremos los que utilizan: procedimientos qumicos, chispa, mecnicos,

termoelctricos, espectroscopia ptica de emisin, espectroscopia de emisin de rayos

X.

Tests qumicos in situ

Para cada caso se aplican indicadores adecuados. En la identificacin de metales slo

pueden detectarse fcilmente por este procedimiento: aceros de bajo contenido en

carbono, aceros con un contenido de cromo de un 2 a un 9%, aceros con un contenido

de nquel del 3,5%, aceros con un contenido de Mo, nquel puro, magnesio y aluminio.

Hay que tener cuidado de eliminar cualquier producto superficial procedente de una

corrosin.

Por ejemplo, en el caso de molibdeno: se extrae unos miligramos del material con cido

ntrico, se procede a una concentracin y filtrado de impurezas si al aadir a esta

disolucin HCl y tiosulfato sdico aparece una coloracin rosa, denota la presencia de

pequeas cantidades de molibdeno si la coloracin es azul oscuro, indica que la cantidad

de molibdeno es mayor de 9%.


Ensayos a la chispa

Se utilizan principalmente para identificar diferentes clases de aceros. Al aplicar sobre

ellos una chispa aparecen diferentes figuras:

Acero con un alto contenido en carbono

Color : blanco

Longitud promedio de las trazas: 139,7 cm

Numerosas y pequeas arborescencias

Acero con un bajo contenido en carbono

Color : blanco


Aparecen ms ramificaciones cuando el contenido de carbono Fig.1

aumenta

Nquel

Color : naranja


Fundicin de hierro blanca

Color: rojo amarillento


Ramas ms finas que las de la fundicin gris

Fundicin de hierro gris

Color : rojo amarillento

Longitud promedio de las trazas : 63,5 cm

Hierro maleable

Color: amarillo plido


Menos ramificaciones que la fundicin de hierro

Introduccin 11

Ensayos de fractura

Una pequea muestra se extrae con un cincel y despus se fracciona con un martillo. La

forma de las superficies de las zonas fracturadas nos proporciona la informacin. En la

tabla I se indican algunos ejemplos.

Tabla I

Metal Forma de las superficies de fractura

Fundicin gris de hierro Grano tosco, gris

Hierro maleable Grano fino, negro

Hierro forjado Fibroso, gris brillante

Acero de bajo contenido de carbono Grano fino, gris brillante

Acero para herramientas Grano muy fino (sedoso), gris brillante

Ensayos con lima

Es fcil identificar un recubrimiento de cromo por su brillo, pero si hay alguna duda se

puede tratar de cortar el recubrimiento con la lima; es tan duro que la lima apenas

producir una marca; si se tratara de un recubrimiento de nquel, se cortara con la lima.

Caracterizacin termoelctrica

Este sistema se funda en la medicin del voltaje que se produce cuando se calienta una

zona donde se juntan dos metales diferentes. El voltaje observado depende del par de

metales; mediante tablas es posible identificarlos. En la tabla II se indican el de algunas

aleaciones.


Tabla II

Aleacin Rango

Monel -10

Hastelloy D -8 a -8,5

Nquel -6 a -6,5

Fundicin de hierro -3 a -3,3

31/2% Nquel -2,1 a -2,3

Acero inox 18-8 -1,5 a 2,5

Acero inox 25-20 -1,5 a 2,4

Stellita -1,7 a 2

Hierro maleable -1,5 a 1,7

Alloy 20 -1,5 a 1.6

Incoloy -1,1 a 1,5

Hastelloy F -0,5 a 0,7

Latn -0,2

Aluminio -0,1

Cobre 0

Hastelloy C 1,5 a 1,9

Acero al carbono 2,2 a 2,5

Titanio 3,5 a 4,5

Inconel 3,5 a 6

Hastelloy B 8 a 10

Ensayos de conductividad elctrica

Se induce sobre el metal conductor una corriente elctrica producida por un campo

magntico alternativo. La conductividad de las diferentes aleaciones vara, ya que bajo

el punto de vista elctrico, una aleacin se comporta como un metal puro con un

contenido grande de impurezas.

De todas formas, en estos tests hay una serie de variables a considerar; la conductividad

puede venir influenciada por: un tratamiento trmico, tamao del grano, orientacin de

los granos, factores geomtricos, etc.

Introduccin 13

Espectroscopia de emisin

Bajo determinadas condiciones de excitacin, la mayora de metales y sus aleaciones

emiten ondas caractersticas en la zona del espectro visible. El mtodo de excitacin

usual consiste en producir una descarga elctrica entre dos trozos de una muestra o entre

la muestra y un contraelectrodo que no contiene los elementos a identificar. El

contraelectrodo puede ser un trozo de grafito, que no introduce interferencias.

Actualmente se utilizan rayos laser como fuente de excitacin; pueden focalizarse sobre

un rea de 5 micras de dimetro. Las diferentes radiaciones producidas por la muestra

excitada se separan por medio de prismas.

Espectroscopia de emisin de rayos X

Se puede utilizar para la determinacin cuantitativa de los elementos que constituyen la

muestra. La muestra se utiliza como ctodo y se analizan los rayos X producidos.

Tambin pueden utilizarse los rayos X para excitar metales de una muestra e

identificarlos por el espectro de difraccin que emiten. Este procedimiento se conoce

como fluorescencia o emisin secundaria de rayos X.

Fig 2

Espectro RayosX Mo

01020304050

0,5

0,7

0,85 1,2 2

Longitud de onda

Inte

nsid

ades

10kV15kV20kV25kV

Aceros inoxidables 15

2. Aceros inoxidables

2.1. Fundamentos de la resistencia a la corrosin de los aceros inoxidables

La base de la resistencia a la corrosin ambiental de estos materiales reside en la adicin

de cromo. A partir de la adicin de aproximadamente un 12% de cromo, se forma una

capa uniforme, continua, adherente y muy delgada de xido de cromo (Cr2O3), que

pasiva la superficie del acero.

Ahora bien, la adicin de un 12% de cromo proporciona nicamente una resistencia a la

corrosin de medios poco agresivos, ambiente hmedo, agua dulce,Para incrementaresta resistencia se ha incrementado la cantidad de cromo y se han adicionado otros

elementos, con lo que al mismo tiempo se han mejorado las propiedades mecnicas del

material.

Estudiaremos en primer lugar cmo influyen los diferentes factores propios del

material: composicin, estructura y estado de suministro.

a. - Composicin qumica

En la tabla III se ha reunido la prctica totalidad de los elementos que entran en la

composicin de los diferentes aceros inoxidables.


Tabla III

Elementos bsicos Fe, Cr, C

Elementos importantes (>0,5%) Ni, Mn, Si, Mo, Cu, Ti, Nb, Al, W, V,Co

Elementos menores (< 0,5%) N, B, Ce, S, Se, Te

Elementos nocivos C, S,P, Si, Co, O, H, N, Metales de bajo punto de

fusin (Sn,Zn,Pb)

Los elementos nocivos, en cantidades apreciables, pueden disminuir la resistencia a la

corrosin o la resistencia mecnica.

b. Estructura

Las estructuras bsicas son tres: Martensita, Ferrita y Austenita, aunque tambin pueden

presentarse estructuras combinadas de aquellas, siendo las ms corrientes : Ferrita +

Martensita y Ferrita + Austenita.

En la tabla IV se indican las diferentes estructuras

Tabla IV

Estructura Composicin bsica (%) Otros elementos

Martenstica a) C


Los aceros inoxidables con estructura martenstica son magnticos y pueden

endurecerse por medio de temple. Al aumentar el contenido de carbono,se obtiene una

mayor dureza pero se deteriora la resistencia a la corrosin.

Los aceros ferrticos no pueden templarse, tambin son magnticos. Su resistencia

mecnica es inferior a la de los martensticos, pero por su menor contenido en carbono

tienen ms resistencia a la corrosin.

Los aceros austenticos no son magnticos y no pueden templarse. En cuanto a la

resistencia a la corrosin, c>b>a y en general superior a la de los anteriores.

Los dplex presentan propiedades muy adecuadas para resolver problemas de corrosin

y de construccin; son magnticos pero no templan.

c.- Estado de suministro

En la tabla V se han incluido los principales estados de suministro.

Tabla V

1. Materiales deformados En caliente

En fro

2.Materiales tratados trmicamente Recocidos o solubilizados

Envejecidos

Templados

Templados y revenidos

Endurecidos por precipitacin

3.Materiales fundidos

4.Materiales soldados

5.Materiales sinterizados

Desde el punto de vista de la corrosin, el mejor estado de suministro, para una misma

composicin y estructura, viene siempre aportado por los materiales deformados, en

caliente o en fro, y con un tratamiento posterior de recocido o de solubilizacin. Los


estados templado o templado+revenido disminuyen siempre la resistencia a la corrosin

al provocar precipitaciones de carburos de cromo, lo que disminuye el contenido de

cromo en las zonas vecinas a dichas precipitaciones.

En la tabla VI se indican los tipos de aceros inoxidables de mayor aplicacin.

Tabla VI

Tipo Composicin nominal (%)Estructura

AISI C Cr Ni Mo Otros

Martensita 410 0,15 11,5-13,5Martensita 414 0,15 11,5-13,5 1-2,5Martensita 416 0,15 12-14 S 0,15Martensita 420 0,15 12-14Martensita 420 F 0,15 12-14 S 0,15Martensita 431 0,20 15-17 1-2,5Martensita 440 0,6 16-18Ferrita 405 0,08 11,5-14 Al 0,2Ferrita 409 0,08 11-12 Ti > 0,75Ferrita 430 0,10 16-18Ferrita 430 F 0,12 16-18 S 0,15Ferrita 434 0,12 16-18 1-1,25Austenita 301 0,15 16-18 6-8Austenita 302 0,15 17-19 8-10Austenita 302 HQ 0,08 17-19 9-11 Cu 3-4Austenita 303 0,15 17-19 8-10 S 0,15Austenita 304 0,08 18-20 8-10,5Austenita 305 0,08 17-19 10,5-13Austenita 316 0,08 16-18 10-14 2-3Austenita 316 F 0,08 17-19 12-14 2-2,5 S 0,15Austenita 384 0,08 15-17 17-19


2.2. Tipos de corrosin de los aceros inoxidables y formas de combatirlos

Los tipos de corrosin que trataremos son :

- Generalizada

- Por picaduras

- Intergranular

- Bajo tensiones

a.- Corrosin generalizada

El ataque se produce porque el medio es capaz de disolver la capa pasiva que protege al

metal.

En la tabla VII se incluye la influencia de los distintos elementos de aleacin,

estructuras, inclusiones y precipitados.

Tabla VII

Elementos de aleacinMedio

cido C Mn Si P S Cr Ni Mo Ti Nb Cu N

Reductor o/- - - o - - - - ++ + ++ + + ++ -

Neutro o o o - - ++ + o / - + + o o

Oxidante o/- o - - - - - + + - o/- o/- - -

Muy

oxidante

- - ++ - - - - - + - - - - - - -

Estructura PrecipitadosMedio

cido Martensit. Ferrtica Austenit. F+ A

Inclusiones

Carburos Fases

Intermed.

Reductor - - + ++ ++ - -/+ o

Neutro o ++ ++ ++ - O o

Oxidante - + ++ + - - - -

Muy

oxidante

- - - + - - - - - - -

++ Muy favorable + Favorable o Nula - Desfavorable -- Muy desfavorable


Como puede observarse, el contenido en Cr, Mo y Cu, es muy favorable en los medios

cidos reductores y neutros, mientras que en los medios cidos oxidantes se consigue el

aumento de resistencia a la corrosin incrementando los contenidos de Cr y Ni, y en los

medios muy oxidantes nicamente la adicin de Si por encima del 2%, tiene un efecto

positivo.

En cuanto a las estructuras: la fase martenstica es prcticamente muy desfavorable en

todos los medios cidos, la austentica es la ms adecuada en todos los medios, mientras

que la ferrtica o dplex son apropiadas en medios cidos reductores o neutros. En

medios fuertemente oxidantes la nica fase con buen comportamiento es la austentica.

Hay que resaltar la influencia desfavorable en medios cidos de las inclusiones

metlicas y todos los tipos de precipitados.

b.- Corrosin por picaduras

La corrosin por picaduras de los aceros inoxidables aparece casi siempre en medios

muy poco agresivos desde el punto de vista de la corrosin generalizada, de modo que,

muy a menudo, la superficie del acero permanece inalterada y brillante en su mayor

parte, localizndose el ataque nicamente en los puntos de las picaduras. Los agentes

causantes de esta corrosin son : F-, Cl-, Br-, sulfuros y bisulfuros.

En la tabla VIII se indican los factores que influyen en este tipo de corrosin.

Tabla VIII

Factores propios del material

Elementos de aleacin

C Si Mn P S Cr Ni Mo Ti Nb N

+ - - - - - ++ + ++ + + ++

Estructura, inclusiones, precipitados

Estructura Inclusio

nes

Precipitados

Medio

alcalino

Marten. Ferrt. Austen. F+A Carburos Fases intermedias

pH < 6 - - o/+ o/+ o/+ - - -- / o - -

pH 6-8 - - + + + - - -- / o - -


pH > 8 o ++ ++ ++ - - -

Estado de la superficie

Decapado +

Mecanizado - -

Chorreado -

Pulido ++

Factores propios del medio

Concentracin Cl -, F -, Br - - - Otras sales o

PH cido - - Neutro - Bsico +

Contenido en oxigeno -

Temperatura - -

Agitacin ++

Fig.3

c.-Corrosin intergranular

La corrosin intergranular provoca el desprendimiento de los granos y va progresando

hacia el interior del metal.

Este tipo de corrosin puede tener diferentes orgenes:

- Precipitacin de carburos de Cr, Ti, Nb

- Precipitacin de fases intermetlicas

- Medios cidos fuertemente oxidantes

La precipitacin de carburos de cromo (Cr 23 C5 ) se debe a que el contenido de carbono

est por encima de la solubilidad en el acero inoxidable y a que ste se ha mantenido en

una zona de temperaturas en las que puede producirse tal precipitacin

010203040

Valores en %

304 316 317 329

Tipo de acero

Influencia del Cr y Mo en la corrosin por picadura

CrMoCorrosin


A consecuencia de tal precipitacin, se produce un empobrecimiento en cromo en las

zonas prximas a las juntas de grano; puede pasar del 18% al 8%, inferior al 12 %

lmite de inoxidabilidad. La zona de temperaturas de sensibilizacin est situada entre

500 y 800, aunque es funcin del tiempo y del contenido en otros elementos (Ni, Mo).La sensibilizacin trmica puede producirse a consecuencia de una operacin de

soldadura, un conformado en caliente, un destensionado trmico.

Se suele presentar en todos los medios cidos. Para evitarla en los medios cidos

reductores es necesario utilizar aceros inoxidables con un bajo contenido en carbono (1%, Si > 1%) tienden a precipitar fases intermedias FeCr o FeCrMo, en las juntas

de grano, cuando se mantienen en la zona de temperaturas entre 650 y 900, aconsecuencia de una soldadura, conformado en caliente, etc. El efecto es el de

empobrecimiento del contenido de Cr, que en medios reductores no es importante, pero

s en medios oxidantes y calientes.

Los medios extremadamente oxidantes ( ntrico >85%) y calientes (> 50-60) son muyagresivos, aun sobre aceros de contenidos en carbono inferiores al 0,01%. La nica

solucin es aadir Si en una proporcin superior al 2%; este silicio protege la capa pasiva.

00,20,40,60,8

1Cantidad

es relativas

302

304

304L

Tipo de acero

Influencia del C en la corrosin intergranular

C%Corrosin

Fig.4


En la tabla IX se resumen estos efectos:

Tabla IX


cido C Mn Si P S Cr Ni Mo Ti Nb Cu N

Reductor - - + o - - - - ++ - + ++ ++ + -

Oxidante - - o/- o/- - - - - + + - - -/+ -/+ - +

Muy

oxidante

- - ++ - - - - - + - - - - - - -

Estructura Inclus

iones

PrecipitadosMedio

cido

Mart Ferr Aust. F+A Carburos Fases intermedias

Reductor - - + ++ o -- /++ o

Oxidante - - + ++ - - - - - - -

Muy

oxidante

- - - - + - - - - - - - -

d.- Corrosin bajo tensiones

Los medios ms peligrosos y frecuentes, entre los que provocan corrosin bajo

tensiones en los aceros austenticos son:

- Soluciones acuosas contaminadas con iones haluro, especialmente cloruros

- Soluciones fuertemente alcalinas

- Medios contaminados con cidos politinicos

- Soluciones conteniendo iones cloruro y sulfuro

El agrietamiento suele ser transgranular.

El nivel crtico de tensiones es bastante inferior al lmite elstico del acero a la

temperatura involucrada


En la tabla X se indica la influencia de los distintos contaminantes segn la

composicin del acero

Tabla X


C Si Cr Ni Mo Ti Nb N

Cloruros o/- +/o + ++ + o/- o/- -

pH > 7 o/- o + ++ + o o -

Politinicos - - o + + + + + -

En la tabla XI se indica la influencia de otros factores.

Tabla XI

Factores Cloruros Soluciones alcalinas cidos politinicos

Estructura

Martenstica - - o/ - - -

Ferrtica ++ +/- +/-

Austentica - - / + - / + ++

F+A ++ - / + +

Tensiones

Traccin/Flexin - - - - - -

Compresin ++ ++ ++

Estado de la superficie

Decapado + + +

Mecanizado - - - - - -

Pulido mecnico - - - - - -

Pulido electroltico +/- +/- +/-

Chorreado ++ ++ ++

Tratamientos trmicos

Solubilizacin ++ ++ ++

Eliminacion tensiones ++ ++ ++

Endurecimiento - - - - - -


2.3. Resistencia de los distintos aceros inoxidables frente a los

diferentes medios agresivos

a.- Corrosin atmosfrica

El concepto de acero inoxidable parece indicar que estos materiales resisten la corrosin

en cualquier medio agresivo. En la prctica no es as, pues incluso en el aire ciertos

tipos de inoxidables pueden corroerse, picarse e, incluso, agrietarse.

Los aceros inoxidables del tipo AISI 410 y similares tienen buena resistencia a la

corrosin en atmsferas rurales. En los ambientes urbanos contaminados pueden

empezar a deteriorarse. En medios industriales fuertemente contaminados y en

atmsferas marinas son netamente insuficientes, pudiendo llegar a agrietarse bajo

tensiones o a romperse por fatiga.

Los aceros ferrticos corrientes con un 17% de cromo presentan una resistencia a la

corrosin atmosfrica muy superior, pero pueden picarse en atmsferas fuertemente

contaminadas o en ambientes marinos.

Los aceros ferrticos especiales de los tipos Cr18/Mo2 y Cr26Ni4/Mo4 presentan un

comportamiento excelente frente a casi todos los ambientes. El Cr 18/Mo2 es vulnerable

en ambientes sulfurosos.

Todos los aceros austenticos y dplex resisten perfectamente frente a la corrosin

atmosfrica, con la nica excepcin de los aceros sin Mo, del tipo Cr18/Ni 8,en las

atmsferas fuertemente contaminadas o en los ambientes marinos.

En estas atmsferas ms agresivas son suficientes los aceros austenticos Cr 17 /Ni 12 /

Mo. Aunque con la contaminacin sulfurosa o clorhdrica en medio cido es necesario

aumentar el contenido de Cr y Mo.


b.- Corrosin por aguas

b.1.- Agua dulce

- Corrosin por picaduras

Tiene por causa la presencia de iones haluro (principalmente cloruros) y/o sulfuro, pH

neutro o cido, acentundose con la temperatura.

Para evitarla hay que incrementar los contenidos de Cr, Mo y/o N. Son aconsejables los

aceros AISI 316 L (austenticos C 0,03/ Cr 16-18/ Ni 10-14/Mo 2-3), (austenticos Cr

20/ Ni15/Mo/Cu), (dplex Cr22/Ni 15/Mo/N).

- Corrosin bajo tensiones

Tiene por causa la presencia de iones haluro (principalmente cloruros), sulfuros, cidos

politinicos, pH neutro o cido, temperaturas superiores a 55-60 .

Para aguas poco contaminadas se pueden utilizar aceros AISI 430; para aguas con

mayor agresividad y mayor temperatura, los aceros austenticos Cr20/Ni25/Mo/Cu y

Cr27/Ni31/Mo/Cu.

b.2.- Agua de mar y aguas muy salobres

La corrosin ms importante es por picaduras, de manera que no se trata de la corrosin

bajo tensiones, porque el material se perfora mucho antes de que se agriete.

Los aceros menos aleados (tipo AISI 304) se perforan rpidamente aun a temperatura

ambiental. Los aceros aleados con Mo(tipo AISI 316), pueden utilizarse a temperaturas

inferiores a 25-30, el agua debe circular con buena velocidad ( > 1-2 m/s); hay que

vigilar la formacin de depsitos e incrustaciones.

Los aceros con contenidos altos de Cr, Mo y/o N pueden resolver el problema, incluso

con temperaturas de 80-100 ( dplex Cr25/Ni 7/Mo 4/ N, austenticos Cr/27/Ni/ 31/Mo

3,5/Cu, Cr20/Ni18/Mo6,1/N )

Un buen pulido o un decapado fino del material mejora los resultados.


Cuanta mayor es la velocidad de circulacin del fluido, tanto ms favorable es para

todos los aceros inoxidables, incluso para los ms aleados.

Influencia composicin

0

5

10

15

20

25

Acero 1 Acero 2 Acero 3

CrMoNimm pic.

Tipo de acero

Fig.5

c.- Medios cidos

c.1.- cido sulfrico

Tipo de corrosin generalizada, intergranular.

El comportamiento es muy pobre para la mayora de aceros inoxidables, ya que la capa

pasiva no resiste los medios reductores. El Ni dismuye la corrosin, pero el Cr la

aumenta. Deben descartarse todos los aceros martensticos, as como los ferrticos, los

aceros austenticos pueden utilizarse, incrementando su contenido en Cr y Mo y

adicionndoles Cu, el acero Cr27/Ni31/Mo/Cu permite trabajar hasta temperaturas de

50-60 con concentraciones de cido inferiores al 70%.

Ahora bien, al considerar la agresividad de las soluciones sulfricas, debe tenerse en

cuenta el efecto inhibidor que tienen algunos elementos o compuestos: oxgeno,

oxidantes, cido ntrico, cobre, sulfatos, compuestos orgnicos, etc. En cambio, los

compuestos reductores aceleran la corrosin (iones sulfurosos).

Influencia Cromo

0

20

40

60

5 10 20 30% Cr

Prd

ida

de p

eso

mg/

dm2


Fig 6

c.2.- cido fosfrico

Tipo de corrosin generalizada, intergranular.

Como en el caso del cido sulfrico, los elementos de aleacin ms positivos son el Cr,

Mo y Cu, siendo en este caso mucho ms favorable el Cr que el Cu.

La presencia de iones cloruro, fluoruro y cido sulfrico aceleran la corrosin, mientras

que la presencia de slice y sales de aluminio la inhiben.

El material con mayor campo de utilizacin es el acero Cr27/Ni31/Mo3,5/Cu.

Para problemas de corrosin-erosin, debido a los arrastres de partculas slidas, se

suelen utilizar dplex (F+A) del tipo Cr22/Ni5/Mo/N o Cr25/Ni7/Mo/N, ya que tienen

mejor resistencia mecnica.

c.3.- cido ntrico

Tipo de corrosin: generalizada, intergranular

El acero ferrtico AISI 430 (17% Cr) puede utilizarse en soluciones moderadamente

concentradas (40-50%) y a temperaturas menores de 70-80. A mayores

concentraciones y temperaturas se necesitan aceros austenticos 18/8 con contenidos

bajos de carbono (< 0.02%) ( 304L), o mejor, con aceros tipo Cr25/Ni20.

Con bajos contenidos de C, Si, S, P.

Deben evitarse cualquier tipo de precipitaciones.

En cido ntrico muy concentrado (> 85%) y a temperaturas superiores a los 40-50, o

en soluciones ntricas con agentes fuertemente oxidantes (cromatos), deben utilizarse

aceros especiales con Si (Cr18/Ni14/Si4).

Influencia Ni

00,5

11,5

22,5

5 10 20 30% Ni

prd

ida

peso

gr/d

m2


Fig.7

c.4.- cido clorhdrico

Corrosin generalizada o por picaduras.

Ninguno de los aceros indicados presenta buen comportamiento en este medio, pero si

se aumenta el contenido de Cr y Mo de un acero austentico se consigue un mejor

comportamiento (Cr27/Ni31/Mo/Cu).

Fig.8

c.5.-cidos orgnicos

Tipo de corrosin: generalizada, intergranular.

Temp de pic.en NaCl 1N

020406080

100

Tipos de acero

Tem

pera

tura

s C

17Cr-12Ni-2,5Mo20Cr-25Ni-4,5Mo20C-18Ni-6,1Mo

Corrosin cido ntrico ebullicin

050

100150

50 65Concentracin cido

ntrico %

Velo

cida

d co

rros

in

mg/

dm2/

dia C


En general el comportamiento es mejor que en los cidos inorgnicos, pero cidos como

el frmico y el actico pueden presentar problemas. Hay que utilizar aceros con bajo

contenido en carbono (304L,316L) o estabilizar con Ti o Nb (AISI 321,347).

Fig. 9

d.- Medios alcalinos

La agresividad es mucho menor que en los medios cidos, las soluciones ms agresivas

son las de NaOH o KOH. Aceros austenticos tipo AISI 304 pueden evitar la corrosin

generalizada, aunque estos aceros pueden agrietarse bajo tensiones en concentraciones

mayores de 50% y temperaturas de 100. La calidad Cr27/Ni31/Mo3,5/Cu presenta

buenos resultados en aquellas condiciones extremas.

e.- Soluciones salinas

Las soluciones salinas ms agresivas para los aceros inoxidables son: hipoclorito,

clorito, cloruros y sulfuros. Dentro de los cloruros presentan ms agresividad las

soluciones cidas. Se pueden utilizar AISI 317L, Cr20/Ni25/Mo/Cu.

Las soluciones de sulfatos son poco agresivas en medios neutro o alcalino. Pueden

utilizarse AISI 304L, Cr22/Ni4/N.

Las soluciones de otras sales: nitratos, fosfatos, carbonatos y cromatos, no acostumbran

a provocar problemas de corrosin en estos materiales.

En la tabla XII, indicamos los aceros ms utilizados en la industria qumica.

Curvas isocorrosin 0,1mm/ao en cido frmico

050

100150

10 20 60 80 100

Concentracin cido frmico %

Tem

pera

tura

s

18Cr-8Ni

17Cr-12Ni-2,5Mo20Cr-25Ni-4,5Mo-1,5Cu


Tabla XII

Tipo Composicin nominal %Estructura Aplicacion

AISI C mx Cr Ni Mo Otros

F+M Medios poco

agresivos

410 0,15 12,5

Ferrita Cor.

Tensiones

430 0,12 16-18

Austenita Medios

moderados

304 0,08 18-20 8-12,5

Austenita Corr.intergr. 304L 0,03 18-20 8-12

Austenita C.interg y

tensiones

321 0,08 17-19 9-12 Ti 5x C

Austenita Acid.red. y

polit.

347 0,08 17-19 9-13 Nb 10 x C

Austenita C.gener. y

picaduras

316 0,08 16-18 10-14 2-3

Austenita C.interg. y

picaduras

316L 0,03 16-18 10-14 2-3

Austenita C.gen. y

picaduras

317L 0,03 18-20 11-15 3-4


tensiones

316 Ti 0,08 16-18 10-14 2-3 Ti 5x C


tensiones

318 0,08 17-19 13-15 2-3 Nb 10 x C

F+A C.general, no

interg.

329 0,10 23-28 2,5-5 1-2

En la tabla XIII indicamos algunos aceros inoxidables para casos especiales de

corrosin en la industria qumica.


Tabla XIII

Composicin nominal %Estructura Aplicacin Tipo

C mx Cr Ni Mo Otros

F+A C.ten,pic,int

ergranular

23/4/N 0,030 23 4 N 0,10

F+A Mejora ant. 18/5/Mo/N 0,030 18 4,7 2,7 N 0,17

F+A Ant+C

fatiga

22/5/Mo/N 0,030 22 5,5 3 N 0,14

F+A Ant+agua

mar

25/7/Mo/N 0,030 25 7 4 N 0,25

A Medios

c.red.

20/25/Mo/C

u

0,020 20 25 4,5 Cu 1,5

A Medios

muy

severos

20/18/Mo/N 0,030 20 18 6,1 N 0,20

A Medios

cidos

27/31/Mo/C

u

0,020 27 31 3,5 Cu 1

A Acid.oxid. 25/20 0,020 25 20

A Acid.oxid. 25/22Mo/N 0,020 25 22 2,2 N 0,12

A Mejor

res.mecn.

que 304L

304LN 0,030 18 8,5 N 0,18

A Mejor

res.mecn.

que 316L

316LN 0,030 18 9 2,7 N 0,18

A C.interg.

medios ox.

18/14/Si 0,020 18 14 Si 4

F C.general

no interg.

18/2 0,020 18 2,2 Ti

F 26/1 0,010 26 1

F

C.general,

frgil y

poco solda.

26/4/4 0,020 25 4 4 Ti

Otros metales 33

3. Otros metales

3.1. Aluminio y sus aleaciones

El aluminio, de acuerdo con su potencial electroqumico (-1,66V), tiene gran tendencia

a oxidarse. Cuando el metal se expone al aire, se forma inmediatamente una capa de

xido (Al2O3) muy estable, que acta como pasivante y evita que prosiga la corrosin.

En medio acuoso el aluminio se pasiva entre pH de 4 a 8,5; a pH menores de 4 o

superiores a 8,5 se corroe en forma de AlO2- y Al+3. De todas formas cuando el aluminio

est en su estado pasivo puede presentar corrosin por picadura, debido al ataque

localizado por los aniones del medio.

Fig.10

Las aleaciones de aluminio presentan mejores propiedades para aplicaciones concretas,

pero en cuanto a la corrosin son en general ms vulnerables que el aluminio puro. La

corrosin de las aleaciones depende de su composicin, microestructura y tratamiento

trmico. En los tratamientos trmicos se forman fases adicionales que generalmente son

Corrosin Al en funcin pH

0

20

40

60

pH 3 pH 4 pH8.5

pH 9

pH

Velo

cida

d co

rros

in

V.corros


compuestos intermetlicos. En la tabla XIV se adjuntan algunos valores de los

potenciales electroqumicos de disoluciones slidas y de fases intermetlicas halladas

frecuentemente en las aleaciones de aluminio.

Tabla XIV

Aleacin Potencial en V.

Aluminios forjados no tratados trmicamente

1060 -0,84

3004 -0,84

5050 -0,84

7072 -0,96

Aluminios forjados tratados trmicamente

2014 (T4) -0,69

6009 (T4) -0,80

6351 (T5) -0,83

7005 (T6) -0,94

7075 (T6) -0,83

Aluminios de moldeo

295.0 (T4) -0,70

296.0 (T4) -0,71

355.0 (T6) -0,79

356.0 (T6) -0,82

520.0 (T4) -0,89

Otros metales

Mg -1,73

Zn -1,10

Cu -0,20

Cr Entre 0,40 y + 0,18

Acero inoxidable (430) -0,09

Sn -0,49

Fases segregadas en las aleaciones de aluminio

Si -0,26

Al3Ni -0,52

Al3Fe -0,56

Al2Cu -0,73

Otros metales 35

(T4) Tratamiento de disolucin y envejecimiento natural

(T5) Enfriamiento desde temperaturas elevadas y envejecimiento artificial

(T6) Tratamiento trmico de disolucin y envejecimiento artificial

En presencia de oxgeno disuelto, los principales iones que causan la corrosin del

aluminio y sus aleaciones son los haluros; en ausencia de oxgeno no es normal que se

produzca la corrosin. En la tabla XV se adjuntan los potenciales de picadura de

aluminio a temperatura de 25 en presencia de haluros.

Tabla XV

Aleacin Electrolito Potencial

Al 99,99% 0,1 M NaCl -0,64

0,5 M NaCl -0,74

1,0 M NaCl -0,72

0,1 M NaBr -0,53

0,1 M NaClO4 -0,24

1,0 M KBr -0,59

1,0 M KI -0,44

Al 99,4% (0,1% Cu ; 0,48% Fe) 0,1 M NaCl -0,65

Al (1,3% Mn) 0,1 M NaCl -0,69

Al (2,4% Mn)(0,16%Fe) 0,1 M NaCl -0,68

Aleaciones Al-Cu

Las aleaciones con Cu son menos resistentes a la corrosin que muchas otras, debido a

que el Cu, despus de cierto tiempo de corrosin, se va disolviendo y redepositando

sobre el material, constituyendo pequeas partculas catdicas que actan como centros

de corrosin.

Aleaciones Al-Si

En ellas se encuentra silicio elemental como fase adicional, la cual es catdica con

respecto a la disolucin slida. Sin embargo, la densidad de corriente de corrosin es

muy pequea y, por tanto, el efecto del silicio sobre la corrosin es despreciable.


Aleaciones Al-Mg

Presentan gran resistencia a la corrosin, incluso frente al agua de mar; se aplican en las

industria qumica de procesos y en la industria alimentaria. El Mg debe estar en

disolucin slida o en pequeos precipitados dispersados homogneamente; si se halla

concentrado en los lmites del grano, el Mg reacciona con el hidrgeno, forma hidruros

y se rompe por fragilidad por hidrgeno. Deben realizarse tratamientos trmicos

adecuados para que su dispersin sea homognea.

Aleaciones de Al-Mg-Si

Tienen la posibilidad de endurecimiento por tratamiento trmico y una moderada

resistencia a la corrosin. Se aplican en construccin, maquinaria, etc.

Aleaciones de Al-Zn-Mg

Son las aleaciones ms andicas (por su contenido en Zn), susceptibles de corrosin

bajo tensiones; agregando Cu se pude mejorar algo la resistencia a la corrosin bajo

tensiones y permite obtener la mxima dureza

Aleaciones de Al-Mn

Tienen una gran resistencia a la corrosin. El Mn se halla en disolucin slida y

formando precipitados de una amplia gama de tamaos.

3.2. Nquel y sus aleaciones

El Ni, cuando est exento de carbono, puede llegar a resistir atmsferas oxidantes de

hasta 1100. Se suele utilizar aleado. En la tabla XVI se indican una serie de aleaciones

comerciales.

Otros metales 37

Tabla XVINi Mo Cr W Fe Si Mn C Co Otros

Monnel

400

66 1,4 0,2 0,9 0,12 Cu 31,5

Inconel

600

76 16 7,2 0,2 0,2 0,04

Hastelloy

B

61 26-30 < 1 4-7


Aleaciones Ni-Cr

El Cr mejora la resistencia a la corrosin a elevadas temperaturas (1150) y frente a los

cidos: ntrico, crmico o fosfrico. El intervalo normal es de un 15-30% de Cr.

La aleacin 16% Cr, 7% Fe, 76% Ni no resiste tanto al oxidacin como la Ni-20% Cr,

pero tiene excelentes propiedades fsicas, se suelda con facilidad y se puede emplear

expuesta al aire hasta 1100. Las unidades de calentamiento de algunas estufas se

fabrican con tubo de esta aleacin; tambin se utiliza en la construccin de hornos para

cementar o nitrurar.

El Ni no tiene suficiente resistencia para atmsferas que contienen azufre por encima de

315, en tales casos es necesario utilizar aleaciones frreas con un contenido alto de Cr y

bajo de Ni.

Aleaciones Ni-Mo

El Mo aumenta la resistencia a la corrosin de cidos no oxidantes, incluso a elevadas

temperaturas, reduciendo el riesgo de la corrosin por picaduras y grietas.

Con un 28% de Mo resisten los cidos clorhdrico, fosfrico, fluorhdrico y sulfrico en

concentraciones de hasta el 60%.

Las aleaciones Ni con Mo y Cr, dan buen resultado en medios oxidantes y reductores,

resisten los iones cloruro (atmsferas marinas), pero para el HCl son mejores las de Cr-

Ni

Res.Corr. Aleac. Ni-28%Mo

0

20

40

60

80

10 20 30 40

% HCl

Prd

ida

espe

sor

dm/a

o Temp amb75Ebullic.

Fig.11

Otros metales 39

Aleaciones Ni-Si

El Si mejora la resistencia a la corrosin a elevadas temperaturas al formar una pelcula

superficial de SiO2, pero debe controlarse su presencia en aleaciones que contienen Fe,

Co, Mo y W, por su capacidad de estabilizar los carburos y facilitar la aparicin de fases

intermetlicas. Resisten el cido sulfrico y cidos orgnicos, pero no resiten el cido

ntrico y clorhdrico a temperaturas elevadas.

Aleaciones Ni-Co

El Co es el principal elemento para aquellos componentes y piezas que deben resistir la

corrosin acuosa, mejorando las condiciones de servicio a elevadas temperaturas.

Aleaciones Ni-Nb/Ta

El niobio y el tntalo previenen la precipitacin de carburos en los lmites de grano,

reducen la tendencia de las aleaciones de nquel a agrietarse en las uniones soldadas.

3.3. Titanio y sus aleaciones

El titanio es un metal que, como el aluminio y el acero inoxidable, se pasiva y resiste la

corrosin ambiental. La resistencia a la corrosin del titanio es notable en medios que

contengan iones cloruros o hipocloritos.

Resiste mejor al HNO3 a temperaturas elevadas que los aceros inoxidables.

El titanio no resiste HCl o H2SO4, salvo cuando estn inhibidos por iones frricos o

cpricos, o cuando est aleado con Pt o Pd.

No resiste lcalis concentrados y calientes.


Fig.12

El material se usa en difusores para la industria del papel, electrodos, condensadores

para la liquefaccin de gas natural. Intercambiadores de calor. Almacenamiento de

residuos nucleares.

Resiste hasta temperaturas de 400-500.

Es econmico por su gran resistencia a la corrosin a elevadas temperaturas. Aunque su

precio es elevado, su densidad es aproximadamente la mitad que el acero o aleaciones

de nquel.

El titanio grado 12 ASTM tiene ventajas comercialmente en medios reductores, frente al

titanio puro.

Tiene una gran resistencia a la erosin y cavitacin, por lo tanto es ideal para bombas e

intercambiadores de calor donde el fluido circula a gran velocidad. No sufre la corrosin

localizada (picadura).

Es efectivo ante la corrosin frente a compuestos orgnicos.

Sin embargo, no es recomendable frente a cido HF o cloro seco (menos de 0.5% de

agua).

Comercialmente, el titanio puro y la mayora de sus aleaciones pueden soldarse con

buenos resultados, aunque es conveniente soldarlo en medios inertes.

A continuacin se indica en la tabla XVII la resistencia a la corrosin de diferentes

aleaciones.

Crecimiento xido

0

50

100

150

0 20 60 120

Tiempo minutos

Espe

sor m

m 700600500400

Otros metales 41

Tabla XVIIComposicin Tipo de

aleacin

Resistencia a la

traccin ksi

Usos ASTM

grados

Ti (gran pureza) alfa 25 Alta res.corrosin 1

Ti (ms oxgeno) alfa 40 Alta res.corrosin 2

Ti (ms oxigeno) alfa 55 Alta res.corrosin 3

Ti (ms oxigeno y Fe) alfa 70 Alta res.corrosin 4

Ti-6Al-4V Alfa-beta 120 Ejes,hojas,discos, etc 5

Ti-O.15Pd alfa 40 Res.cor. medios

reductores

7

Ti-0.3Mo-0.8Ni alfa 50 Res.cor. medios

reductores

12

Ti-5Al-2.5Sn alfa 115 Usos que requierensoldadura y altares.traccin elev.temp.

Fig.13

Titanio no aleado

0

5

10

15

20

90 149 204 260 316

Temperaturas C

pH

linea 1linea 2

Corrosin

Inmun.

Ataque H 2

Aleacin Ti-Mo-Ni

05

101520

90 149 204 260 316

Temperaturas C

pH

Linea 1Linea 2

Ataque H 2

InmunidadCorrosin

Aleacin Ti-Pd

05

101520

90 149 204 260 600Temperatura C

ph

Linea 1Linea 2

Ataque H2

Inmunidad

Corrosin


3.4. Metales refractarios

Se designan como refractarios una serie de metales ( tungsteno, molibdeno, tntalo,

circonio, niobio,) de elevado punto de fusin que resisten en condiciones reductoras

elevadas temperaturas.

El tungsteno, en condiciones oxidantes, forma una capa superficial de WO3; este

fenmeno corrosivo sigue una ley parablica desde 700 hasta los 1000. Es un

componente de las mquinas de alto vaco, as como de elementos de calentamiento de

reactores y naves espaciales.

El molibdeno resiste la corrosin porque se pasiva formando MoO3, pero empieza a

sublimar a partir de los 500. El recubrimiento con silicio protege al molibdeno contra la

oxidacin hasta temperaturas de 1600. Es particularmente resistente a los cidos

minerales no oxidantes.

Es resistente al CO2, hidrgeno, amonaco y nitrgeno hasta 1100, y a atmsferas

reductoras conteniendo sulfhdrico.

El molibdeno tiene una excelente resistencia a la corrosin a vapores de yodo, bromo o

cloro a elevadas temperaturas.

El tntalo se pasiva formando una capa de Ta2O5, que no es voltil por debajo de los

1370. La industria qumica lo utiliza para la fabricacin de contenedores, tuberas,

alambiques, agitadores, paletas de turbinas de vapor, toberas, vlvulas, cambiadores de

calor, etc. A veces no es necesario que todo el aparato sea de tntalo, es suficiente que

recubra el acero. Resiste los cidos clorhdrico, sulfrico, ntrico, crmico y fosfrico a

elevadas temperaturas. No resiste los lcalis (NaOH 5% a 100), ni el oxgeno,

nitrgeno e hidrgeno a elevadas temperaturas.

El tntalo se suele usar conjuntamente con el tejido de vidrio en recubrimientos.

El circonio tiene una resistencia a la corrosin superior a la del titanio y semejante a la

del tntalo. Resiste la accin de los cidos clorhdrico y ntrico y la de las bases a todas

las concentraciones y temperaturas. Pequeas adiciones de Fe, Ni y estao aumentan su

Otros metales 43

resistencia a la corrosin a elevadas temperaturas. La buena resistencia del Zr al agua

caliente desaireada y vapor es de especial inters en las aplicaciones de energa nuclear.

No resiste al oxgeno, nitrgeno e hidrgeno a elevadas temperaturas.

El circonio resiste la corrosin de todo tipo de aguas naturales, incluso cuando circulan

a gran velocidad. Tiene un excelente comportamiento por encima de 400 frente al aire,

vapor, CO2, SO2, nitrgeno y oxgeno e incluso es muy resistente a los cidos y bases

fuertes. Esta alta resistencia proviene de la formacin de un xido tenaz y estable que se

forma en la superficie al ser expuesto al aire.

A continuacin exponemos la resistencia a la corrosin del circonio en algunos medios

corrosivos.

a .- cido sulfrico

El circonio se considera uno de los materiales ms econmicos para recipientes que

contengan sulfrico en las conflictivas concentraciones de 40-60% en peso.

En el proceso de fabricacin del rayn viscosa se puede utilizar en los intercambiadores

de calor y serpentines de calentamiento con vapor, de tanques conteniendo: cido

sulfrico, sulfato de cinc, sulfato sdico, y pequeas cantidades de sulfhdrico y

disulfuro de carbono.

Tambin se utiliza en la fabricacin de perxido de hidrgeno, en contacto con sulfrico

caliente en concentraciones del 80%. En este caso se forma una capa protectora negra

sobre la superficie.

Fig.14

Resistencia a la corrosin en sulfrico

0100200300

20 40 60 80

concentracin sulfrico % peso

tem

pera

tura

s

5 mpy20 mpy200 mpy


b.- cido clorhdrico y otros cidos inorgnicos

El circonio es uno de los pocos metales que resiste la corrosin del cido clorhdrico en

todas las concentraciones.

La velocidad de corrosin del circonio frente al cido ntrico concentrado y a

temperaturas por encima de los 250 es despreciable.

Tiene una alta resistencia a la corrosin frente a soluciones de cido fosfrico del 50% a

temperaturas de ebullicin.

Fig.15

c.- Soluciones alcalinas

El circonio resiste el ataque de soluciones alcalinas, puede compararse con la resistencia

del nquel frente a soluciones de hidrxido sdico y, en presencia de impurezas (cloro

gas o amonaco), supera al nquel.

Una de las principales aplicaciones del circonio es en procesos donde se alterna el

contacto con cidos fuertes y lcalis fuertes.

Resistencia a la corrosin en clorhdrico

0200400600

20 30 40

Concentracin clorhdrico % peso

Tem

pera

tura

5 mpy20 mpy200 mpy

Otros metales 45

d.- Soluciones salinas

La tabla XVIII muestra la excelente resistencia al ataque de la mayora de soluciones

salinas.

Tabla XVIII

Ambiente Concentracin % en

peso

Temperatura C Velocidad corrosin

mpy

Al Cl3 5,10,25 35-100 < 0.2

NH4Cl 1,10,sat 35-100 < 0.2

Ba Cl2 5,20 35-100 < 0.07

CaCl2 5,10,25 35-100 < 0.03

CuCl2 5,10,20 35-100 > 50

FeCl3 5,10,20 35-100 > 50

MgCl2 5,20,42 35-ebullicin < 0.1

MnCl2 5,20 35-100 < 0.09

HgCl2 1,5,10,sat 35-100 < 0.07

NiCl2 5,20 35-100 < 0.1

KCl sat 60 0.009

KF 0.5 molar ebullicin < 0.2

NaCl 3,sat 35-ebullicin < 0.03

SnCl4 5,24 35-100 < 0.1

ZnCl2 6,20 35-ebullicin < 0.08

e.- Soluciones orgnicas

El circonio resiste la mayora de ambientes orgnicos.

En la tabla XIX se adjuntan algunos ejemplos.


Tabla XIX

Ambiente Concentracin % en

peso

Temperatura C Velocidad de

corrosin mpy

cido actico 5-99,5 35-ebullicin < 0.07

Anhdrido actico 99,5 ebullicin 0.03

Hidrocloruro de anilina 5,20 35-100 < 0.01

cido cloroactico 100 ebullicin < 0.01

cido ctrico 10-50 35-100 < 0.2

cido dicloroactico 100 ebullicin < 20

cido frmico 10-90 35-ebullicin < 0.2

cido lctico 10-85 35-ebullicin < 0.1

cido oxlico 0.5-25 35-100 < 0.5

cido tartrico 10-50 35-100 < 0.05

cido tnico 25 35-100 50

Reactor de urea 58% urea,17%

amonaco,15% CO2,10%

H2O

193 < 0.1

f.- Consideraciones econmicas

El circonio es considerado un material caro, pero puede competir con muchos, como

puede observarse en la tabla XX.

Tabla XX

Aleacin Precioo relativo/ unidad peso Precio relativo/ unidad volumen

Circonio 1 1

Titanio 0.7 0.5

Hastelloy B-2 1.1 1.4

Hastelloy C-276 1 1.2

Tntalo 20 50

Otros metales 47

Aleaciones de metales refractarios

El KBI-40 (60% de tantalo - 40% columbio), tiene una resistencia a la corrosin

intermedia entre los dos metales; su costo es menor que el tntalo, ya que su densidad es

un 25% inferior. Por ejemplo, sustituye al tntalo en soluciones a ebullicin de cido

sulfrico 10-30%.

Otras aleaciones de tntalo se utilizan por su resistencia a la traccin, por ejemplo la

adicin de 10% de tungsteno (Ta-10W, Ta-7.5W) u otros metales refractarios (Ta-8W-

2Hf); esta ltima es particularmente interesante por su resistencia a la corrosin de los

metales lquidos.

Las aleaciones de tungsteno - molibdeno (W-30Mo) mejoran la mecanizacin.

A continuacin se indica en una tabla XXI el uso de los metales refractarios contra la

corrosin frente a otras aleaciones ms comunes.

Tabla XXI

Reactivo Tantalo Columb. Circonio Titanio Hastelloy

C-276

NiCr.Mo

Hastelloy

B-2

Ni-Mo

Monnel

400

Ni-Cu

Acero

inox. 316

Actico50% eb.

S S S S S S SV S

Cloruroaluminio5%

S S S S S SV

Cloruroamnico50% eb.

S S S S SV S

Sulfatoamnicosat.eb.

S V S SV S

Bromoseco

S S X S X

Bromohmedo

S S S X X X

Sosacustica

X X S S S S

Cloro

seco 25

S S V X S S S X

Cloro

hmedo

25

S S X S S X X


Cloro

hmedo

100

S S X S X X X X

Acido

clorosulf

nico 10%

S S S SV X

Baos de

cromado

S X SV

Cloruro

frrico

5%

S S X S S X X

Fluor S S V SV

HCl 38 S V S X S S X

Perxido

hidrgeno

25

S V S S S S S

Ntrico

5% 25

S S S S S V SV S

Ntrico c.

Eb.

S S S S X X V

KCN S S S SV S

NaCl sat

eb.

S S S S S S

NaOCl

5% 25

X V V S X X S

SO2hmedo

25

S S S S X X S

Sulfrico

5% 25

S S S V S S SV V

Sulfrico

50% eb

S X S X X S X X

S resistente V ataque suave X no satisfactorio

Materiales plsticos 49

4. Materiales plsticos

4.1. Diseo de materiales composites para ambientes corrosivos

Estos materiales consisten en polmeros termoestables, generalmente polisteres,

reforzados con fibra de vidrio u otras fibras.

Las resinas ms utilizadas son: isoftlicas, polisteres insaturados halogenados, bisfenol

A fumarato, furano y steres vinlicos. En la tabla XXII se dan sus propiedades y en la

XXIII sus aplicaciones en corrosin.

Tabla XXII

Resistencia

a la

corrosin

Isoftlic

as

Polisteres

insaturados

halogenados

Bisfenol A

fumaratos

Orto

ftli

cas

Furano Vinil

steres

Aceros al

carbono

Aceros

inoxid

ables

cidos B A A C A B C B

lcalis B C A C A A B B

Perxidos C A B C C B C C

Hipoclorito C A B C C B C C

Disolvente B B B C A B A A

Ret.llama C A C C B C A A

Res.mecn. A A A B A A A A

Aisl.Trm. A A A A A A C C

A= Alta B= Moderada C= Baja


Tabla XXIII

Equipos Ambiente corrosivo Tipo de resina

Refrigerantes Calderas hasta 80 C

Chimeneas Gas de chimenea a 180 C

Gases entre 150 -180 C

Gases inertes cidos 50-60 C

Scrubbers

Carbonatos a temp > 170 C

Tanques de circulacin y tuberas Fluidos cidos a temp > 80 C

Ventiladores Gases a 180 C

Precipitadores electrostticos Vapores de H2S y SO2 a 138-180 C

Unidades de desulfuracin H2S,SO2 y monoetanol amina a 132 F

Conductos de fusin Cu,Pb,Zn a 138 C

Conductos de incineradores Productos qumicos a 300 C

Condensadores de nieblas cido sulfuroso a 180 C

Tuberas de gas (flujo continuo) Temperaturas de 150 C,B

C= Polisteres insaturados clorados B= bisfenol F= furnicas

La resistencia qumica de estas resinas viene muy influenciada por el procedimiento de

curado. Tericamente el curado debe completarse a temperatura ambiente, pero

generalmente slo se logra un 95% de entrecruzamientos y se necesita actuar a

temperaturas elevadas. El grado de curado puede ser determinado por varios mtodos, el

ms sencillo es la determinacin de la dureza Barcol. Se acepta una dureza Barcol de 90

para poder estar seguros de que el curado ha sido completo.

Los equipos de la industria qumica deben ser construidos con una resina pura y un mat

de una fibra resistente a los agentes qumicos, que proporciona la resistencia mecnica.

La resina es la que protege a la fibra de los ataques qumicos por efecto barrera, se suele

trabajar con espesores de 3 mm, obtenidos con varias capas tipo sandwich (resina, mat,

resina, mat,...).Los espesores son importantes para la resistencia total, trabajando con

los mismos materiales y ambientes agresivos.

La evaluacin de la calidad se realiza viendo la variacin de las propiedades mecnicas

con el tiempo, aunque depende del tipo de aplicacin y de cuestiones econmicas.


De todas formas es difcil correlacionar estas variaciones de propiedades mecnicas con

la degradacin del material. Debe mirarse la variacin de varias propiedades mecnicas

y decidirse por aquel material que mantiene el mayor nmero de caractersticas despus

de ser sometido a un ambiente determinado durante un cierto tiempo. Tambin es muy

interesante para muchas aplicaciones evaluar la resistencia a elevadas temperaturas, la

tabla XXIV nos muestra algunos ejemplos.

Tabla XXIV

Fibra Isoftlicas Vinil ester Bisfenol A

fumarato

Esteres insaturados

clorados

Con 65% fibra de

vidrio

135 120 150 180

Sin fibra de

reforzamiento

95 100 132 150

En general hay que tener muy en cuenta las condiciones de trabajo:

- Tipo de productos qumicos

- Concentraciones mximas y mnimas

- Rango de pH

- Mximo y mnimo de temperaturas

- Si se requiere resistencia a la abrasin o agitacin

- Requerimientos de aislamiento trmico

- Retardancia al fuego

Para realizar las pruebas, se sumerge el estratificado en el ambiente agresivo en las

condiciones de trabajo, uno, dos o tres meses y se ensaya su resistencia a la flexin,

mdulo elstico, dureza Barcol y examen visual al microscopio. El test se completa en

tres meses, pero a veces es conveniente alargarlo a 6 o 12 meses. Se puede medir

variaciones de espesor, peso, color; la prdida de propiedades mecnicas suele ser

aproximadamente una funcin logartmica.


4.2. Aplicaciones a tanques con agitacin

Para disear tanques con agitadores hay que aplicar cinco criterios:

- Resistencia a la tensin y compresin

- Alargamiento

- Resistencia a la fatiga: se suele utilizar un factor de seguridad de 2

- Esfuerzos de compresin locales: se suele utilizar un factor de seguridad de 5

- Deformacin

Para los plsticos la curva tensin/alargamiento no tiene una regin elstica. Cuando

disminuye el esfuerzo, el material no recobra la posicin primitiva, hay una

deformacin permanente. La temperatura agrava este fenmeno, para un acero no se

produce este efecto por debajo de los 260.

4.3. Seleccin de plsticos para bombas y tuberas

Cuando existen problemas de corrosin es muy recomendable utilizar para las bombas

plsticos, teniendo en cuenta que muchos tienen mejores resistencias a la erosin que

los metales. En las industrias en que no puede haber contaminacin de los lquidos

transportados se deben utilizar plsticos.

Aunque algunos ingenieros suelen despreciar la utilizacin de plsticos por sus

inferiores propiedades mecnicas; aunque la curva de resistencia a la traccin no

presenta la zona elstica y no tiene un comportamiento lineal, estos materiales suelen

tener propiedades mecnicas suficientes para esta utilizacin.


Fig.16

Sin embargo, en ciertas condiciones no es recomendable su utilizacin, por ejemplo a

temperaturas por encima de los 100, ya que sus propiedades mecnicas disminuyen

sensiblemente.

Los plsticos suelen utilizarse en las bombas centrifugas: el pistn, carcasas y

manguitos son normalmente de plstico.

Los plsticos ms utilizados para bombas son:

(Observaremos que las temperaturas indicadas son inferiores a las que se encuentran en

las tablas de resistencia qumica de estos materiales.)

- Vinlicos a temperaturas inferiores a los 50, aunque el PVC clorado resiste hasta

105.

- Polipropileno: muy utilizado por su baja densidad, resiste los cidos, lcalis y

disolventes, pero no resiste agentes fuertemente oxidantes,resisten hasta 105.

- Fluorplsticos: tienen una excelente resistencia a la corrosin; el

politetrafluoretileno es prcticamente inerte, aunque el fluorpolivinilideno tiene

mejores propiedades mecnicas; resisten hasta 150. El etilen clorotrifluoretileno

tiene una gran resistencia al impacto, aunque inferior resistencia qumica que el

politetrafluoretileno puro.

En el caso de tuberas, las ms utilizadas son las de acero revestidas de plstico; el acero

proporciona la resistencia mecnica y el plstico la resistencia a la corrosin. Se utiliza

Alargamiento -Traccin

0246

0 5 10 20 30 40

Alargamiento %Tr

acci

n 1

000

psi


en tuberas, vlvulas y uniones que deben estar en contacto con lquidos o gases

corrosivos (industria qumica, petrolera, pulpa de papel, minera.) Son tambin

recomendables en industrias en que debe preservarse la contaminacin de los lquidos

transportados (farmacutica, alimentaria, depuracin de aguas).

4.4. Seleccin del recubrimiento

- Resistencia qumica: Hay que tener en cuenta no solamente los componentes

mayoritarios, sino incluso las trazas. Generalmente, los datos que se disponen no estn

referidos a mezclas, y para mayor seguridad, sino se tiene experiencia, hay que hacer

ensayos previos.

A continuacin citamos las normas ASTM para los recubrimientos plsticos en este

campo.

Tabla XXV

Material plstico Norma ASTM

Poli(cloruro de vinilideno) F599

Propileno y polipropileno F492

Poli(flururo de vinilideno) F491

Perfluoruro(copolimero etileno-propileno) F546

Politetrafluoretileno F423

- Estado fsico del fluido. Debe definirse si es gas o lquido

-Temperatura. Hay que tener en cuenta la temperatura de reaccin (si es necesario), as

como en los ciclos, las temperaturas mximas y mnimas.

- Velocidad de flujo. Para lquidos son recomendables de 1,3 a 1.8 m/s, mientras que

para gases en dimetros inferiores a 7.6 cm de 10 a 10.7 m/s, y en dimetros mayores,

de 25 m/s. Estas velocidades hay que reducirlas cuando en el lquido hay partculas

abrasivas o humedad en los gases. Estas velocidades pueden utilizarse para los clculos


de cada de presin y hay que realizar un balance econmico teniendo en cuenta los dos

factores.

- Transporte de lodos. En estos casos hay que tener en cuenta los dimetros de las

partculas, que determinar los parmetros de erosin o abrasin. Generalmente hay que

realizar ensayos previos.

- Limpieza con vapor. Hay que tener en cuenta el sistema de limpieza; si se utiliza

vapor hay que tener en cuenta la temperatura que puede resistir el recubrimiento.

- Vaco. En general los recubrimientos mejoran la resistencia de la tubera al vaco, pero

es necesario realizar ensayos.

- Permeabilidad. Aunque las resinas indicadas resisten qumicamente los agentes

agresivos, algunas como el politetrafluoretileno, fluor etilen-propileno, y el

polifluoracetato, son susceptibles de absorcin y permeabilidad. Es interesante para

prevenir este efecto que exista una capa de aireacin entre el recubrimiento y el acero;

suelen colocarse entre ambos unas canales en forma de espiral.

4.5. Aceros utilizados para ser recubiertos

- Tuberas:

ASTM A53 Tubera, acero, negro y templado, cincados, soldado y sin costuras.

ASTM A156 Tuberas de acero al carbono sin costura para servicio a altas

temperaturas

ASTM A587 Tuberas de acero con bajo contenido en carbono para procesos

qumicos, soldadas elctricamente

- Fundicin y forja. Las normas ASTM nos indican los materiales apropiados de

acuerdo con la presin y temperatura que deben soportar; incluyen composicin,

mtodos de tratamiento trmico, propiedades mecnicas y mtodos de pruebas.


Tabla XXVI

Aceros Norma ASTM

Forjados, aceros al carbono para componentes de

tuberas

A105

Uniones de tuberas de aceros al carbono forjados

y aceros aleados para moderadas y elevadas

temperaturas

A234

Aceros dctiles

Retenes de fundicin para elevadas temperaturas A395

Fundicin de hierro

Fundicin de hierro gris para vlvulas, bridas y

uniones en tuberas

A126

4.6. Breves recomendaciones para el diseo de este tipo de instalaciones

En la instalacin de tuberas recubiertas debe evitarse el vaco producido por efectos

hidrostticos o condensacin de vapores. Si se teme que aparezca este fenmeno, hay

que utilizar las tcnicas oportunas de ventilacin.

En las uniones hay que escoger los tornillos y tuercas adecuados para cada caso, debe

evitarse que produzcan dao al revestimiento.

Hay que tener en cuenta las posibles dilataciones trmicas, utilizando las juntas de

expansin adecuadas.

No deben producirse soldaduras sobre la tubera recubierta, ya que el calentamiento

puede provocar desperfectos en el recubrimiento.

Las tcnicas utilizadas para aislar las tuberas de acero tambin pueden utilizarse en las

recubiertas. Pero hay que tener cuidado de asegurar que no se destruye los sistemas de

ventilacin.

No utilizar materiales no especificados concretamente para cada aplicacin.

Utilizar los elementos complementarios juntas, vlvulas, racords,) adecuados, en

cuanto a forma y material, para cada tipo de instalacin. A continuacin exponemos en

la tabla algunos ejemplos.


Tabla XXVII

Complemento Material Medidas ( pulgadas)

Juntas de expansin TFE -36

Manguitos TFE 1-8

Vlvulas (recubrimiento) PP,FED,PFA 3-8

Ts PP,FEP,PFA 2-6

Tensores PP,PVDF 1-8

Soportes TFE 1-4

Reductores TFE 1x1/2 6x4

Drenajes de fondos PP 2-6

Otros materiales 59

5. Otros materiales

5.1 Refractarios no metlicosSe consideran dentro de este grupo materiales con temperaturas de fusin superiores a

los 1700.

Muchos compuestos cermicos puros con altos puntos de fusin, como el xido de

aluminio o el xido de magnesio, podran tener aplicaciones como refractarios

industriales, pero al ser caros y difciles de conformar, la mayora de refractarios

industriales se hacen con mezclas de compuestos cermicos.

Las propiedades ms importantes de los refractarios cermicos son su resistencia a bajas

y altas temperaturas y su densidad (2,1 a 3,3 g/cm3). Los refractarios densos con baja

porosidad tienen mayor resistencia a la corrosin y erosin.

Se dividen en dos grandes grupos: cidos ( a base de SiO2 y Al2O3) y bsicos ( a base de

MgO, CaO y Cr2O3).

En la tabla indicamos la composicin de algunos ladrillos refractarios.

Tabla XXVIII

cidos % SiO2 % Al2O3 % MgO % OtrosLadrillo de slice 95-99Ladrillo altas temp. 53 42Ladrillo alta resistencia 51-54 37-41Ladrillo de almina 0-50 45-99BsicosMagnesita 0,5-5 91-98 0,6-0,4 CaOMagnesita-cromo 2-7 6-13 50-82 18-24 Cr2O3Dolomita 38-50 38-58 CaOEspecialesCirconio 32 66 ZrO2Carburo de silicio 6 2 90 SiC


Aplicaciones:

- Ladrillos refractarios para altas temperaturas: revestimientos hornos de fundicin

de aluminio, hornos rotativos, cucharones de transferencia de metal caliente, altos

hornos.

- Ladrillos refractarios de alta resistencia: revestimientos para hornos de cal y de

cemento, altos hornos e incineradores.

- Ladrillos de alta almina: hornos de ebullicin, regeneracin de hornos daados

por cidos, hornos de fosfatos, hornos de coque de petrleo.

- Ladrillos de slice: revestimiento de reactores qumicos, hornos cermicos, hornos

de coque.

- Ladrillos de magnesita: revestimiento de hornos de procesos bsicos y xidos en

la fabricacin de aceros.

- Ladrillos de circonio: pavimentos para suelos, toberas de vertido continuo.

5.2 Cermets

Son productos obtenidos por sinterizacin de mezclas de xidos y metales. De hecho

son combinaciones heterogneas de metales o aleaciones con una o ms fases

cermicas.

No se trata de soluciones slidas, ni de los procedimientos de endurecimiento de los

aceros debido al carburo de hierro, sino que se trata de aprovechar en un slo material

las mejores propiedades del metal y del cermico.

Como materiales cermicos se emplean: xidos, aluminuros, carburos, nitruros y

siliciuros.

Se amplean xidos de W, Mo, Ti y Al sobre aleaciones de Cr-Mo para aplicaciones que

deben resistir altas temperaturas.La sinterizacin de 70% de xido de aluminio y 30%

de hierro produce un material con una resistencia a la traccin de 12 Kg/mm2 a 950, o

bien cerca de 5 Kg/mm2 a 1200, resistiendo la oxidacin hasta 1200 y a los gases de

combustin hasta 1600.

Los carburos son ms fciles de unir a los metales, pero tienen peores caractersticas. Se

emplean carburos de titanio sobre Ni, Co, Cr, Mo. Carburo de tungsteno sobre cobalto y

Otros materiales 61

carburo de cromo sobre Ni y Co. Un producto con 80% de carburo de titanio y 20% de

cobalto metlico posee elevada conductividad trmica, buena resistencia a la traccin y

pequea dilatacin trmica.

Los boruros se emplean protegiendo Cr, por ejemplo el boruro de molibdeno. Los

aceros se pueden proteger con boruros de hierro y manganeso. El Ni, Co y Fe pueden

protegerse con boruros de cromo. En general, no son tan resistentes como los carburos a

bajas temperaturas, pero son ms resistentes a altas temperaturas, sobre todo cuando son

posibles las erosiones.

Tambin se aplican aluminuros como protectores del Mo. Tienen buena estabilidad y

resistencia a la oxidacin a altas temperaturas, pero son poco resistentes y soportan mal

los cambios fuertes de temperaturas.

El nitruro de titanio se emplea mezclado con carburo del mismo metal, en solucin

slida, para proteger cromo o aleaciones Ni-Co.

Existen diferentes formas de prepararlos:

1) Los xidos, en atmsfera controlada ligeramente oxidante, a alta temperatura, se

depositan sobre la superficie del metal, logrndose la adherencia, bien directamente

a travs de la pelcula de xido que puede haberse formado sobre la superficie

metlica, o bien empleando otro agente que acte sobre el metal, fijndose sobre l y

unindose al producto cermico.

2) Por pulverizacin del producto cermico a alta temperatura sobre el metal.

3) El producto cermico puede prepararse en solucin o suspensin, e introducir las

piezas metlicas, pasando luego el conjunto a un horno.

Se utilizan en toberas de salida de gases de motores, colectores de escape, frenos,

herramientas de corte que trabajan a elevadas temperaturas.

Una utilizacin interesante es en los frenos, donde los materiales deben sufrir fricciones

a altas temperaturas. Los cermets, dan un buen resultado, como consecuencia de ser la

capa cermica la que soporta el desgaste, mientras que la fase metlica acta como

conductora del calor generado.


5.3 Diseo de sistemas refractarios

El diseo de instalaciones refractarias debe tener en cuenta tres reas:

- Trmica: el refractario debe resistir altas temperaturas.

- Estructural: debe tener buena resistencia mecnica.

- Qumica: debe resistir el ataque de los agentes qumicos que estn presentes.

a.- Consideraciones qumicas

Los refractarios son afectados por determinados ambientes al ser materiales permeables.

A altas temperaturas, en atmsferas no oxidantes, la baja presin de oxigeno reduce el

SiO2 a SiO gas, que al enfriarse forma depsitos sobre los intercambiadores de calor. En

este caso, para evitar la reduccin debe mantenerse la temperatura por debajo de 1300.

Otro ejemplo es la desintegracin producida por la descomposicin cataltica de CO o

hidrocarburos. Por ejemplo, el xido frrico, presente en pequeas cantidades en

muchos refractarios, se convierte en carburo de hierro, que cataliza la descomposicin

del CO en CO2 y C entre 400-700, y el C se deposita sobre el xido de hierro y se

llega a producir una serie de tensiones que desintegran el refractario; para evitarlo debe

trabajarse a temperaturas inferiores a las indicadas o eliminar el xido de hierro.

b.-Consideraciones estructurales

- Resistencia a la abrasin

Sobre todo en las zonas donde hay un flujo turbulento.

- Impermeabilidad

Sobre todo en el caso que estn en contacto con gases.

Diseo de aparatos 63

6. Diseo de aparatos

6.1. Recipientes a presin

6.1.1 Consideraciones generales. Cdigos y normas

La informacin que suministramos le debe permitir al ingeniero qumico realizar un

diseo provisional de un recipiente a presin apropiado para determinar su peso

aproximado y su costo. No existen cdigos o especificaciones para definir un recipiente

a presin. Un recipiente a presin es un depsito cerrado de longitud limitada, su

dimensin menor es considerablemente mayor a la de las tuberas de conexin y est

sujeto a presiones por encima de los 7,14 MPascals.

La American Society of Mechanical Engineers public las normas ASME para la

fabricacin y diseo de los recipientes a presin. Estas normas estn divididas en

secciones:

- Especificaciones de materiales

- Recipientes de presin I y II

- Condiciones de soldadura

- Recipientes de presin de plstico reforzados con fibra de vidrio

La American Soc. for Testing Materials ASTM da tambin una serie de

especificaciones ligadas con las anteriores. ASME aade una S delante de la A de las

ASTM ( SA 202).En la tabla XXIX damos alguna de estas especificaciones para

diferentes aceros aleados


Tabla XXIX

A 202 Cr-Mn-Si aleaciones de aceros para chapas

A 203 Ni aleaciones de aceros para chapas

A 204 Mo aleaciones de aceros para chapas

A 225 Mn-V aleaciones de aceros para chapas

A 302 Mn-Mo y Mn-Mo-V aleaciones de aceros para

chapas

A 353 Doble normalizadas y templadas para usos

criognicos

A 358 Cr-Mo chapas de aleaciones de acero para altas

temperaturas

A 517 Chapas templadas para resistir altas tensiones

A 533 Mn-Mo y Mn-Mo-Ni chapas templadas

A 542 Cr-Mo chapas de aceros aleados templadas

A 543 Ni-Cr-Mo chapas de aceros aleados templadas

A 553 8% y 9% chapas de niquel templadas

A 645 Especiales tratamientos trmicos 5% Ni para usos

criognicos

A 658 Chapas 36% de Ni de baja dilatacin trmica

A 734 Aleaciones de bajo contenido en C templadas y de

alta resistencia mecnica para usos criognicos

A 735 De bajo contenido en C Mn-Mo-Nb para bajas y

moderadas temperaturas

A 736 Chapas endurecidas de bajo contenido en C Ni-

Cu-Cr-Mo-Nb

Hay que resaltar que las propiedades mecnicas estn influenciadas por diferentes

variables:

- Espesores o anchos de las chapas

- Composicin qumica

- Temperatura

- Corrosin

En general, mayores espesores proporcionan menos problemas. En Europa se toma

como base para la resistencia a la traccin el 0,2% del lmite elstico, aunque estos

valores disminuyen al aumentar la temperatura. Se suele considerar que el espesor de la


chapa debe ser proporcional a la presin interna, cada recipiente a presin debe

evaluarse individualmente.

Una frmula orientativa para escoger el espesor en funcin de la presin interna es:

t= PR/(SE-0.6 P)

t espesor en cm, P presin en MPa, S esfuerzo en MPa, E coeficiente, Radio interno en

cm

Los factores a tener en cuenta para escoger una determinada aleacin son:

- Disponibilidad

- Resistencia a temperaturas

- Resistencia a corrosin

- Tenacidad

- Soldabilidad

- Tratamiento trmico

En la Tabla XXX se indican algunas propiedades mecnicas de diferentes aleaciones.

Tabla XXX

Especificacin Grado Resistencia a latraccinksi (6.89 MPa)

Resistencia a lafluencia ksi

Elongacin % en50 mm

A 75-95 45 19A 202B 85-110 47 18A 65-85 37 23B 70-90 40 21

A 204

C 75-95 43 20A 70-90 40 21B 75-95 43 20

A225

C 105-135 70 20A302 B 80-100 50 18A387 2,12 55-81 33 22A517 AII 115-135 100 16A533 3 100-125 83 16A542 2 115-135 100 13A658 65-80 35 30A734 A 77-97 65 20A736 2 85-105 75 20


Es importante sealar que debe tenerse cuidado con los aceros ferrticos trabajando a

temperaturas inferiores al ambiente. Los aceros de baja aleacin estn limitados a

temperaturas por debajo de los -45. Los aceros ASTM 517 no son dctiles a

temperaturas por debajo de los 60. Por debajo de los 100 deben utilizarse aceros con

un 3.5% de Ni, y a temperaturas inferiores aceros con un 9% de Ni o aceros

austenticos. Es importante mantener una cantidad baja de carbono para obtener una

buena tenacidad sobre todo con esfuerzos de tensin altos.

Deben disearse los aparatos para minimizar las concentraciones de esfuerzos,

particularmente en las reas crticas.

Las condiciones ambientales pueden definir el tipo de material, para estos aparatos las

ms importantes son:

- Corrosin

- Altas temperaturas

- Presencia de hidrgeno

Generalmente, deben utilizarse plantas piloto para confirmar el tipo de material. Es

evidente que tambin juega un papel importante la economa. Las superaleaciones

nicamente deben usarse en casos de severa corrosin o altas temperaturas.

Es interesante que la temperatura del material base no exceda los 540; ello se puede

lograr utilizando dobles paredes de refrigeracin o materiales refractarios. De esta forma

se puede asegurar la vida del aparato para 20 aos.

El hidrgeno puede causar la fragilidad o a elevadas temperaturas puede rebajar el

contenido de carbono. Por ello es interesante, antes de utilizar un recipiente, minimizar

el contenido de hidrgeno realizando una deshidrogenacin o una sencilla

desgasificacin. La martensita es ms susceptible al ataque por hidrgeno que la perlita.

El hidrgeno puede producirse por reaccin o incluso por una proteccin catdica. Estos

fenmenos suelen tener lugar sobre aceros que tienen resistencias a la traccin de unos

1030 MPa. A altas temperaturas (por encima de los 200) es fcil que se produzca una

descarburacin por difusin de hidrgeno, seguida de una fisuracin por concentracin

de tensiones. El Cr y el Mo ayudan a evitar este fenmeno; el Mo es cuatro veces ms

efectivo que el Cr; tambin pequeas cantidades de vanadio, niobio y titanio ( 0.1%)


pueden producir los mismos efectos que el Mo. En la industria petroqumica suelen

utilizarse aceros con un contenido de Mo del 0.5%.

Es muy interesante utilizar materiales de elevada resistencia a la traccin y fcilmente

soldables. Estos aparatos es mejor soldarlos que ribetearlos. Al soldar hay que tomar

precauciones para que no se produzca un craqueo al enfriarse; esta dificultad puede

minimizarse al escoger materiales con bajo contenido en carbono o mediante un

precalentamiento. En general, los cdigos para cada tipo especfico de recipientes nos

indicarn las precauciones a tener en cuenta en el momento de la fabricacin.

El diseo de un recipiente se hace normalmente por tanteo, generalmente se da por

supuesto un espesor de las paredes y con l se calcula la presin que puede resistir.

Existen grficas para realizar estos clculos.

En todos los recipientes a presin deben existir vlvulas que regulen la presin, de

manera que no sobrepase nunca el 10% del valor calculado.

6.1.2 Soportes, bridas, placas tubulares

Los cdigos ASME mencionan procedimientos de diseo de bridas para juntas de forma

circular y con el empaque situado dentro del crculo del perno. Al aplicar un esfuerzo se

producen unos momentos de torsin que tratan de hacer girar la brida, de modo que la

parte interior pase al exterior. Si la brida no tiene suficiente resistencia y rigidez para

resistir estos momentos, su seccin de corte transversal girar lo suficiente para abrir un

hueco en el empaque y permitir que se produzca una fuga.

HD HD

W W

HG HG

Fig.17


El cdigo clasifica las bridas en dos tipos bsicos: integrales y sueltas. Las bridas de

tipo integral se construyen de manera que obtienen cierta resistencia del tubo y de la

pared de la tobera o el recipiente al que se fijan. Las bridas de tipo suelto se fijan de tal

manera que no se puede suponer con seguridad que obtengan resistencia de este modo.

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