Acero para calderas para aplicaciones a alta temperatura

Aceros para calderas, recipientes a presión e intercambiadores de calor para la industria energética: características y aplicaciones

También conocido como aleación y acero al carbono para funcionamiento a altas temperaturas o como acero para la industria energética, se utiliza en entornos con temperaturas de funcionamiento de hasta 600 ℃, donde la condición es mantener resistencias similares a temperatura ambiente. En metalurgia, las temperaturas de 600 ℃ se denominan temperaturas elevadas.

A diferencia del acero estructural para tratamiento, el acero para resortes o el acero de cementación, las especies de calderas tienen que hacer frente a una tarea bastante responsable, principalmente para prevenir o acortar la progresión de la deformación y la fatiga del componente expuesto durante el funcionamiento, al entorno operativo, la carga que se produce durante el funcionamiento y la frecuencia y el tiempo de tensión de la carga sobre el componente.

Por lo tanto, al seleccionar un grado concreto de este subgrupo, es importante comprobar que el material de esta clase tenga suficiente resistencia a los efectos de los gases calientes, la ductilidad adecuada, la soldabilidad, la resistencia a la corrosión y la relajación, y propiedades de resistencia suficientes a la temperatura de funcionamiento. En primer lugar, se determinan las propiedades mencionadas anteriormente, como el límite elástico a una temperatura de funcionamiento determinada, la resistencia a la fluencia, el límite de fluencia y, además, la resistencia al calor.

Composición química y uso del acero para calderas

Los aceros para calderas se utilizan principalmente en centrales eléctricas convencionales o nucleares y en la industria química, por ejemplo, en calderas de vapor sobrecalentado, colectores de vapor, discos de dirección, tuberías, intercambiadores de calor, tornillos, tuercas y remaches para cargas pesadas, calderas de vapor, componentes (por ejemplo, álabes) y accesorios para turbinas de agua, gas y vapor.

Uno de los elementos más importantes que hace que los aceros para calderas puedan trabajar a temperaturas elevadas y presenten propiedades de resistencia adecuadas es el cromo-Cr, el vanadio-V y el molibdeno-Mo. Con el aumento del cromo en la composición química del producto, aumenta la resistencia a la corrosión y la capacidad de utilizar el componente a temperaturas de funcionamiento más altas. Con un contenido de cromo del 1,00-2,50 %, pueden utilizarse de forma continua a una temperatura de aproximadamente 580 ℃. Un contenido de cromo superior al 2,5 % y hasta el 13 % no mejora significativamente la resistencia a la fluencia. En atmósferas oxidantes, los aceros al carbono muestran una resistencia de hasta aproximadamente 500 ℃.

Como se puede observar, el contenido de carbono de los distintos grados de acero para calderas es comparable y, por consiguiente, las propiedades de resistencia, como el límite elástico y la resistencia a la tracción, no se ven afectadas de forma significativa por el carbono, sino por otros elementos de carburo, como el vanadio, el molibdeno e incluso aditivos como el tungsteno (N), el niobio (Nb) y el titanio (Ti), que contribuyen simultáneamente al aumento de la resistencia a la fluencia.

Clasificación de los aceros para calderas según su estructura y composición química

Los aceros para trabajar a temperaturas elevadas se dividen en dos subgrupos básicos:

• aceros ferríticos para calderas, es decir:
  • aceros ferríticos-perlíticos para calderas,
  • aceros ferríticos-bainíticos para calderas,
  • aceros ferríticos-perlíticos-bainíticos para calderas
  • y aceros bainíticos para calderas.
• y aceros martensíticos:
  • aceros bainíticos-martensíticos,
  • aceros con estructura martensítica de alto temple

Teniendo en cuenta la composición química del acero para calderas, distinguimos:

• aceros para calderas con bajo contenido en carbono, con un contenido de carbono de hasta el 0,25 %, y
• aceros para calderas con contenido medio en carbono, con un contenido de carbono superior al 0,25 %.

que luego dividimos en:

• aceros para calderas de baja aleación para funcionamiento a temperaturas elevadas
• aceros para calderas de aleación media para funcionamiento a temperaturas elevadas
• aceros para calderas de alta aleación para funcionamiento a temperaturas elevadas

Tratamiento térmico, condiciones de entrega y estructura de los distintos grados.

En lo que respecta al tratamiento térmico de los aceros resistentes a temperaturas más elevadas y a la estructura del material tras el mecanizado, los aceros para placas de calderas, tubos de calderas y barras de potencia se suministran a las centrales eléctricas en estado normal tras el alivio de tensiones o en estado normal, lo que da como resultado una estructura ferrítica mezclada y, en consecuencia, solo un ligero aumento de la resistencia (ferrítico-perlítico-bainítico, ferrítico-perlítico o ferrítico-bainítico).

A su vez, un gran grupo de aceros aleados puede endurecerse hasta obtener una estructura martensítica y luego aliviarse hasta obtener una estructura de sorbita, como es el caso de los grados de aleación de acero para mejora. Por lo tanto, dependiendo de la composición química, puedes encontrar contradicciones en la denominación de ciertos grados, entre los aceros para calderas y los aceros para mejora (por ejemplo, 25HM). Las aleaciones tratadas térmicamente suelen ser aleadas y de alta aleación, y en particular aleaciones con alto contenido en cromo en forma de productos con secciones transversales mucho mayores, como forjados, ejes o barras forjadas. Sin embargo, ten en cuenta que, en los grados con baja templabilidad, los productos de secciones más pequeñas deben mejorarse para obtener propiedades mecánicas adecuadas.

Para las piezas forjadas de ejes y rotores de turbinas, así como para las piezas forjadas de álabes de turbinas, se utilizan aceros bainíticos. Para conseguir esta estructura, se utilizan aceros que no pueden templarse después de la austenización. Se caracterizan por los parámetros de durabilidad más altos de este grupo.

Resistencia a la deformación, relajación y fatiga del acero para calderas

Las propiedades de resistencia de los aceros para calderas pudieron determinarse claramente a temperaturas de funcionamiento de hasta 200 ℃. Sin embargo, el uso y la denominación del acero para altas temperaturas motivaron en gran medida la realización de ensayos de resistencia a temperaturas de funcionamiento de 500-600 ℃. Es necesario que el acero para calderas tenga el mayor parámetro posible de resistencia a la fluencia o resistencia a la deformación, es decir, el mayor tiempo de carga constante para un componente con el menor grado de deformación. Las pruebas de fluencia y los ensayos se llevaron a cabo de acuerdo con la norma PN-75/H-04330 y los requisitos de la norma PN-75/H-84024.

La fatiga de los rotores de turbina en la ingeniería energética es un proceso que se produce a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. Como resultado de las grandes diferencias de temperatura (es decir, el calentamiento y enfriamiento frecuentes) o del trabajo solo a altas temperaturas, los cambios en las tensiones, presiones y cargas asociadas a la rotación de los elementos, el acero es susceptible de sufrir deformaciones, relajación y fenómenos de muesca. El factor básico para las pruebas de fatiga es el ciclo de carga de trabajo y el tiempo de trabajo del elemento. Fatiga del acero y determinación de nombres según la norma PN-64/H-04325.

El tercer factor que es bastante importante para determinar la utilidad del acero en la industria energética es el fenómeno de relajación, es decir, la disminución o pérdida de tensiones elásticas en las piezas de las máquinas, como resultado de una temperatura de funcionamiento más alta durante un período de tiempo más largo, lo que provoca fugas en las tuberías de la caldera; en los pernos y tuercas se producen «holguras» irregulares. Esta propiedad se prueba y se utiliza en bridas de acero de tuberías de vapor, componentes de acero para pernos de cascos de turbinas, componentes de acero para juntas de contracción y presurizadas, y componentes de acero para recipientes y equipos a presión.

Acero para calderas: entorno de trabajo y aplicación

Los medios gaseosos más comunes en los sistemas de energía son el aire, el vapor y los gases de combustión. La resistencia al calor depende del tipo y la composición del gas que se produce durante el funcionamiento del subconjunto. El aire, los gases de escape, el vapor sobrecalentado y las altas temperaturas, así como la combinación de estos factores, actúan sobre el acero oxidado.

Los óxidos resultantes en la superficie del acero de caldera para la industria energética se acumulan a medida que aumenta la temperatura. En los aceros de caldera, la capa de óxido se descompone rápidamente y, al mismo tiempo, dificulta la formación de la capa de óxido, lo que provoca la destrucción del material (por ejemplo, grados St36K, St44K, K18, K20 - máx. 400-500 ℃). Un elemento que previene este fenómeno es el cromo (Cr), cuya adición en aleaciones en una proporción superior al 0,5 % en la composición protege durante más tiempo al componente expuesto al avance del fenómeno de oxidación de los aceros para equipos de generación de energía a una temperatura de aproximadamente 550 ℃ (por ejemplo, 10CrMo9-10 - máx. 580 ℃). Los óxidos de cromo cubren rápida y accuratamente las superficies de las barras y las placas de calderas, y las forjas de aceros para calderas aumentan a medida que aumenta la temperatura de funcionamiento. Una vez completada la cobertura, la superficie de óxido de cromo es prácticamente inamovible y resistente a una mayor destrucción del material. El cromo también muestra resistencia a diversos compuestos de azufre presentes en los gases de escape y, junto con su composición química, también aumenta su temperatura de trabajo. Otras muestras de grado 12Ni19 / X12Ni5 / 1.5680.