Como un equipo especial que resiste la presión interna o externa, los recipientes a presión se utilizan ampliamente en los campos de la química, el petróleo, la medicina, la energía, la alimentación, la aeroespacial y otros. Dado que a menudo enfrentan condiciones de trabajo extremas como alta temperatura, alta presión y corrosión durante su funcionamiento, imponen demandas extremadamente altas en la selección de materiales. La selección de materiales no solo está relacionada con la seguridad y fiabilidad de los recipientes a presión, sino que también afecta directamente el costo de fabricación y la vida útil. Este artículo discutirá en detalle los materiales ideales para la fabricación de recipientes a presión.
Requisitos Básicos Para los Materiales de los Recipientes a Presión
Como equipo a presión de largo plazo, el material del recipiente de presión debe tener primero excelentes propiedades mecánicas. Esto incluye alta resistencia a la tracción, buena ductilidad, resistencia al impacto y resistencia a la fatiga. El material no debe agrietarse bajo alta presión y debe ser capaz de absorber energía en lugar de romperse cuando es impactado por una fuerza externa. Además, la estabilidad térmica y la resistencia a altas temperaturas también son indicadores importantes para juzgar los materiales, especialmente en reactores de alta temperatura y equipos de intercambio de calor, donde el material debe mantener una estructura y propiedades mecánicas estables.
La resistencia a la corrosión es otro requisito clave. Muchos recipientes de presión se utilizan para almacenar o reaccionar con medios corrosivos, como ácidos fuertes, álcalis fuertes, soluciones salinas, solventes orgánicos, etc. La resistencia a la corrosión del material determina directamente la vida útil y el factor de seguridad del equipo. El material también debe tener un buen rendimiento en soldadura y capacidades de procesamiento y formado para satisfacer las necesidades de fabricación de estructuras complejas.
¿Qué materiales se pueden utilizar para fabricar recipientes de presión?
Acero al carbono:
Acero al Carbono es el material más comúnmente utilizado en recipientes de presión. Se selecciona por sus buenas propiedades mecánicas, fuerte soldabilidad, buen rendimiento en procesamiento y bajo precio. Los materiales comunes de acero al carbono incluyen Q235, Q345, A516Gr.70, etc.
La resistencia al esfuerzo de los materiales de acero al carbono es moderada, lo que es adecuado para fabricar la mayoría de las piezas que soportan presión, especialmente en un entorno con temperatura normal y sin medios corrosivos fuertes. Su buena ductilidad facilita la conformación y soldadura en la fabricación, lo que simplifica enormemente el proceso de fabricación. Además, los materiales de acero al carbono tienen sistemas de estándares y suministro perfectos tanto en el extranjero como en el país, lo que facilita el control de calidad.
Sin embargo, las desventajas del acero al carbono también son evidentes. Su resistencia a la corrosión es pobre, y es propenso a oxidarse en ambientes ácidos, alcalinos o salinos. Si no se toman medidas razonables contra la corrosión, es muy probable que ocurran perforaciones y fugas. Además, su tenacidad disminuye drásticamente en entornos de baja temperatura, y existe el riesgo de fractura frágil, lo que limita su aplicación en ocasiones de baja temperatura.
Por lo tanto, el acero al carbono se utiliza principalmente en las siguientes ocasiones:
- Tanques de almacenamiento de compresores de aire;
- Sistemas de tratamiento de agua;
- Calderas;
- Tanques de almacenamiento de petróleo, etc.
Con el fin de mejorar la resistencia a la corrosión del acero al carbono, a menudo se protege con revestimientos, pulverización, etc. Aunque el acero al carbono tiene desventajas, su excelente relación costo-beneficio lo convierte en un material básico indispensable en la fabricación de recipientes a presión.
Acero aluminizado:
El acero aleado es un tipo de material que mejora el rendimiento añadiendo elementos de aleación como cromo, níquel y molibdeno al acero al carbono. Su mayor ventaja es una alta resistencia mecánica, buena resistencia térmica y cierta resistencia a la corrosión. Los aceros aleados comúnmente utilizados incluyen 15CrMoR, 12Cr1MoV, SA387Gr.11, Gr.22, etc., los cuales se aplican ampliamente en contenedores de alta temperatura y alta presión, como calderas de vapor, reactores, etc.
Después de agregar cromo y molibdeno, la resistencia a la oxidación y la resistencia a la deformación por flujo del acero aleado se mejoran significativamente, lo que le permite mantener una buena estabilidad incluso en entornos de alta temperatura y alta presión. Algunos aceros aleados también pueden proporcionar resistencia a la corrosión en medios específicos, como el 12Cr1MoV, que tiene un buen rendimiento en entornos de sulfuro de hidrógeno a alta temperatura.
Aunque el acero aleado tiene un excelente rendimiento, su costo de fabricación es significativamente mayor que el del acero al carbono común, y su dificultad de procesamiento también es mayor. Durante la soldadura, es necesario controlar estrictamente los parámetros del proceso, y se debe realizar un tratamiento térmico para evitar fisuras térmicas y fisuras por corrosión bajo esfuerzo. Además, algunos aceros aleados son sensibles a la fragilización por hidrógeno y deben usarse con precaución en equipos de almacenamiento de hidrógeno.
Acero inoxidable:
Acero inoxidable también puede utilizarse para fabricar recipientes a presión, especialmente en los campos de la química, farmacéutico y alimenticio, y su excelente resistencia a la corrosión lo convierte en la primera opción. El acero inoxidable se divide principalmente en austenítico, ferrítico, martensítico y acero inoxidable dúplex. Los aceros inoxidables austeníticos más comúnmente utilizados, como el 304, 316L, etc., son ampliamente utilizados debido a su buena soldabilidad, tenacidad y resistencia a la corrosión.
el acero inoxidable 316L tiene una buena resistencia a los medios clorados debido a su alto contenido de molibdeno, y es particularmente adecuado para recipientes a presión en entornos salinos o de agua de mar. El acero inoxidable dúplex (como el 2205, 2507) combina las ventajas de las estructuras austenítica y ferrítica, tiene una mayor resistencia y resistencia a la corrosión por pitting, y ha ido reemplazando gradualmente al acero inoxidable austenítico tradicional en algunos campos.
La principal desventaja del acero inoxidable es su alto precio, especialmente para modelos con alto contenido de níquel y molibdeno. Además, durante el soldadura se forma fácilmente corrosión intergranular, y se requiere tratamiento de solución sólida o modelos de bajo carbono (como el 316L). En un entorno fuertemente reducido, el acero inoxidable puede tener el riesgo de corrosión por estrés, y se necesita seleccionar el modelo de material de manera específica.
Por lo tanto, el acero inoxidable se utiliza principalmente en las siguientes ocasiones:
- Reactores;
- Tanques de almacenamiento farmacéutico;
- Tanques de almacenamiento de gases de alta pureza, etc.
Titanio y aleaciones de titanio:
El metal de titanio se ha convertido en un material popular para la fabricación de recipientes de presión de gama alta debido a su baja densidad, alta resistencia específica y excelente resistencia a la corrosión. El titanio tiene una excelente estabilidad frente a diversos medios altamente corrosivos como el ácido nítrico, ácidos orgánicos, cloro húmedo, agua de mar, etc., y es particularmente adecuado para su uso a largo plazo en entornos oxidantes y neutros.
Los materiales de titanio comunes incluyen titanio puro (como TA1, TA2) y aleaciones de titanio (como TC4). El titanio puro tiene una excelente soldabilidad y formabilidad, y se utiliza ampliamente en contenedores con baja resistencia pero altos requisitos de resistencia a la corrosión, como tanques de almacenamiento de agua salada, tanques de electroplacado, reactores químicos, etc. Las aleaciones de titanio tienen tanto resistencia como resistencia a la corrosión, y son adecuadas para piezas que soportan presión u ocasiones de alta tensión.
Los materiales de titanio son caros, difíciles de procesar y tienen requisitos ambientales extremadamente altos durante el soldado (se requiere protección con gas inerte), por lo que se utilizan principalmente en productos de alta tecnología y alto valor añadido. En los campos de la aeronáutica, aviación, ingeniería submarina, equipos de dessalinización de agua de mar, equipos médicos, etc., los materiales de titanio están desempeñando un papel irremplazable.
¿Cómo elegir?
En la ingeniería real, la selección de materiales varía según diferentes condiciones de trabajo. Tomando como ejemplo la torre de desulfurización de una refinería, su medio contiene componentes altamente corrosivos como sulfhidrógeno, amoníaco y cloruros. Es más adecuado elegir acero inoxidable 316L o acero inoxidable dúplex 2205. En las calderas de las plantas eléctricas, el vapor a alta temperatura y presión impone requisitos extremadamente altos a los aleaciones resistentes a altas temperaturas, y se utiliza comúnmente acero al carbono 12Cr1MoV o acero al carbono SA387.
En la industria de fertilizantes, los reactores a alta presión utilizados en las unidades de síntesis de amoníaco a menudo emplean materiales especiales como placas compuestas de titanio y placas compuestas de Hastelloy; en la industria de procesamiento de alimentos, para garantizar la higiene y limpieza, se utilizan comúnmente materiales de acero inoxidable austenítico como las demás y 316L.
Por lo tanto, en las aplicaciones de ingeniería, la selección de materiales debe combinarse con la presión de trabajo del equipo, la temperatura, el tipo de medio, el ciclo de operación, la economía y la aplicabilidad de los estándares. Considere una variedad de factores para seleccionar materiales que sean seguros, confiables y económicamente razonables.
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