La norma ASTM A333/A333M-18 fue desarrollada para satisfacer las necesidades específicas de los materiales de tuberías de presión que operan en entornos criogénicos en las industrias petroquímica, de gas natural licuado (GNL) y de refrigeración. En condiciones criogénicas, el acero al carbono tradicional sufre una transición frágil, lo que lo hace propenso a fracturarse por fragilidad; por lo tanto, se requieren estándares de materiales especializados para garantizar el funcionamiento seguro del equipo.
Grados de materiales y requisitos de composición química
La norma abarca nueve grados de aceros ferríticos, cada uno de ellos diseñado y aleado para temperaturas mínimas de servicio específicas:
| Calificación | Temperatura de prueba de impacto | Elementos primarios de aleación | Proceso de fabricación |
|---|---|---|---|
| Grado 1 | -45 grados | C-Mn | Sin costura/soldada |
| Grado 3 | -100 grados | 3.5Ni | Sin costura/soldada |
| Grado 4 | -100 grados | Mn con bajas-carbonos | Sólo sin costuras |
| Grado 6 | -45 grados | C-Mn | Sin costura/soldada |
| Grado 7 | -75 grados | 2,25Ni | Sin costura/soldada |
| Grado 8 | -195 grados | 9Ni | Sin costura/soldada |
| Grado 9 | -75 grados | 1.9Ni-0.8Cu | Sin costura/soldada |
| Grado 10 | -60 grados | alto manganeso | Sin costura/soldada |
| Grado 11 | -195 grados | 36Ni | Sin costura/soldada |
Los requisitos de composición química están estrictamente controlados, particularmente para elementos impuros como azufre y fósforo. El contenido de azufre no deberá exceder el 0,025% y el contenido de fósforo se limitará al 0,025%-0,035%, según el grado. Este control estricto es esencial para garantizar una tenacidad adecuada a bajas-temperaturas.
Requisitos de propiedad mecánica
La norma especifica requisitos claros para las propiedades de tracción y resistencia al impacto en todos los grados:
| Propiedad | Grado 1 | Grado 3 | Grado 4 | Grado 8 | Grado 11 |
|---|---|---|---|---|---|
| Resistencia mínima a la tracción (MPa) | 380 | 450 | 415 | 690 | 450 |
| Límite elástico mínimo (MPa) | 205 | 240 | 240 | 515 | 240 |
| Elongación mínima (%) | 35 | 30 | 30 | 22 | 18 |
| Requisito de energía de impacto | Mayor o igual a 18 J | Mayor o igual a 18 J | Mayor o igual a 18 J | Expansión lateral Mayor o igual a 0,38 mm | Mayor o igual a 18 J |
En particular, los grados 8 y 11 están destinados a servicios de temperatura ultra-baja- (-195 grados) y sus requisitos de prueba de impacto difieren de los de otros grados. El grado 8 exige una expansión lateral de al menos 0,38 mm, mientras que el grado 11, aunque requiere el mismo valor de energía de impacto (mayor o igual a 18 J) que otros grados, opera a una temperatura de servicio aún más baja.
Requisitos de fabricación
4.1 Método de fabricación
Los tubos de acero se fabricarán mediante procesos sin costura o mediante soldadura, sin añadir metal de aportación durante la soldadura. Sin embargo, el Grado 4 se producirá exclusivamente mediante el proceso sin costuras. Para el Grado 11, el uso de metal de aportación en la soldadura es opcional y puede ser determinado por el fabricante.
4.2 Requisitos especiales de soldadura
Para tubos de Grado 11 soldados con metal de aportación, se aplican los siguientes requisitos estrictos:
Las juntas deben estar completamente perforadas y fusionadas, ya sea como juntas a tope soldadas simple- o doble-.
Están prohibidos los procesos de soldadura con anillos de soporte.
La altura del casquillo de soldadura no excederá los 3 mm.
Todas las soldaduras se someterán a pruebas radiográficas al 100%.
4.3 Requisitos del tratamiento térmico
Las especificaciones del tratamiento térmico varían según el grado:
Grados 1 a 7, 9, 10: Tratamiento de normalización a una temperatura de calentamiento no inferior a 815 grados.
Grado 8: Temple y revenido, o doble normalización seguida de revenido.
Grado 11: El recocido está sujeto a un acuerdo mutuo entre el proveedor y el comprador.
Requisitos técnicos de la prueba de impacto
8.1 Requisitos de energía de impacto
Para todos los grados excepto el Grado 8, la energía de impacto promedio de tres especímenes en un conjunto no deberá ser inferior a 18 J, y ningún espécimen deberá caer por debajo de 14 J. Si un espécimen está por debajo del mínimo individual, o dos especímenes están por debajo del promedio pero no por debajo del mínimo individual, se permitirá volver a realizar la prueba.
8.2 Requisito especial para el grado 8
El grado 8 requiere una expansión lateral de al menos 0,38 mm por muestra. Este criterio, derivado de los principios de la mecánica de la fractura, proporciona una evaluación más precisa de la resistencia del material al agrietamiento en condiciones de temperatura ultra-baja-.
13.1 Dimensiones de la muestra
Se utilizarán muestras de impacto con muesca Charpy V-. El tamaño preferido es 10×10 mm. Cuando el espesor del material es insuficiente, se debe emplear la muestra de sub-tamaño más grande posible, con el correspondiente ajuste de la temperatura de prueba según lo especificado.
14.1.2 Ajuste de temperatura de prueba
Cuando se utiliza una muestra de sub-tamaño y el ancho de la muesca es inferior al 80% del espesor real del material, la temperatura de prueba se debe reducir del valor especificado en la Tabla 4. La cantidad de reducción se debe calcular de acuerdo con la Tabla 6 de la norma.
Requisitos de inspección y prueba
15.1 Pruebas eléctricas hidrostáticas o no-destructivas
Cada tubo deberá someterse a una prueba hidrostática o a una prueba eléctrica no-destructiva. El fabricante podrá seleccionar el tipo de prueba a menos que se especifique lo contrario en la orden de compra.
15.3 Criterios de aceptación para la inspección no-destructiva
Ciertas imperfecciones visuales son aceptables si cumplen las siguientes condiciones:
Profundidad inferior a 0,1 mm, o
Profundidad inferior al 12,5 % del espesor de pared especificado (el que sea mayor).
Las imperfecciones permitidas incluyen rayones, rugosidades de la superficie, hendiduras y marcas de enderezamiento.
Requisitos de marcado
Además de las marcas requeridas por A999/A999M, se marcará lo siguiente:
Trabajado en caliente / Estirado en frío
Sin costura/soldada
Número de orden
Las letras "LT" seguidas de la temperatura de prueba de impacto.
Si las dimensiones del tubo terminado son insuficientes para obtener una muestra de impacto de tamaño sub-, la marca deberá no incluya "LT" o la temperatura de prueba, a menos que se especifique el Requisito suplementario S1.
Estudios de casos de aplicaciones industriales
Aplicaciones de proyectos de GNL
En proyectos de GNL, las tuberías ASTM A333 Grado 3 y Grado 8 se emplean ampliamente en entornos de temperatura ultra-baja-a -162 grados. En un proyecto de terminal receptora de GNL a gran-escala, se utilizaron tuberías de Grado 3 en el sistema de recuperación BOG (Boil-Off Gas), mientras que se implementaron tuberías de Grado 8 en las principales líneas de transmisión de GNL. Mediante un control riguroso de los procesos de tratamiento térmico y la validación mediante pruebas de impacto, se garantizó plenamente la integridad del material y la seguridad de las tuberías en condiciones criogénicas extremas.
Aplicaciones de la industria petroquímica
En las unidades de producción de etileno, las tuberías ASTM A333 Grado 6 se aplican en sistemas de separación de baja-temperatura que funcionan a -45 grados. Un proyecto de etileno de un millón de-ton-al-año implementó tuberías de grado 6 en el sistema de alimentación del desmetanizador. Al aplicar estrictos protocolos de inspección de materiales y controles de calidad de soldadura, la instalación logró un funcionamiento estable, seguro y a largo plazo.
Aplicaciones de la industria de la energía nuclear
En los sistemas auxiliares de las centrales nucleares, los materiales ASTM A333 se utilizan en aplicaciones de baja-temperatura, como el importante sistema de agua para servicios. En un proyecto nuclear específico, se seleccionaron tuberías de Grado 1 para sistemas de refrigeración de agua de mar. Mediante un diseño de composición química optimizado y procesos de fabricación refinados, el material cumplió con los estrictos requisitos para componentes de grado nuclear-.