¿Cuáles son las limitaciones de aplicación de las tuberías de acero inoxidable 304/304L en el sistema de GNL?

El tubo de acero inoxidable 304/304L, debido a su cierta tenacidad a baja temperatura y resistencia a la corrosión, se aplica en algunos campos de baja temperatura. Sin embargo, en el sistema de GNL (gas natural licuado, con una temperatura de funcionamiento de aproximadamente -162℃), su rendimiento tiene deficiencias significativas y su aplicación está estrictamente limitada. A continuación, se detalla desde los aspectos de la tenacidad a baja temperatura, el riesgo de corrosión y las propiedades mecánicas: 

1. Insuficiente tenacidad a baja temperatura, con riesgo de fractura frágil

Problema central: En las condiciones de funcionamiento del GNL a -162℃, la tenacidad de impacto del 304/304L no cumple con los requisitos de seguridad. 

La temperatura de transición frágil (DBTT) del acero inoxidable 304 (acero no estabilizado) es relativamente alta, generalmente oscila entre -100℃ y -70℃. Cuando la temperatura desciende a -162℃, su energía de absorción de impacto (Ak) disminuirá bruscamente a menos de 20J (incluso menos de 10J), lo cual está muy por debajo del requisito de Ak ≥ 40J para los sistemas de GNL (según normas como ASME B31.3). Esto lo hace propenso a la fractura frágil sin deformación plástica, lo que potencialmente puede provocar accidentes graves como fugas.

La tenacidad a baja temperatura del 304L (tipo de bajo carbono) es ligeramente mejor que la del 304, pero aún no puede superar por completo el problema de la transición frágil. El rendimiento de impacto a -162℃ fluctúa significativamente, y la tenacidad de la zona afectada térmicamente (HAZ) de la soldadura es aún más pronunciada, lo que dificulta superar las pruebas de impacto a baja temperatura (como la prueba de impacto de muesca V). 

Comparación: Los materiales comúnmente utilizados en los sistemas de GNL, como el 304Lmod (304L modificado), el 316L y el acero de 9% Ni, tienen una DBTT (Temperatura de Descomposición Inducida por Deformación) tan baja como por debajo de -196℃. A -162℃, la energía de impacto se mantiene por encima de 80J, evitando efectivamente el riesgo de fractura frágil. 

2. Resistencia limitada a la corrosión a baja temperatura, susceptible a la erosión de impurezas

Aunque el metano es el componente principal en el sistema de GNL, puede contener trazas de H₂S, CO₂, humedad, etc. A bajas temperaturas, es propenso a formar medios corrosivos (como la mezcla de agua líquida y H₂S que forma una solución ácida). La resistencia a la corrosión del 304/304L es insuficiente para hacer frente a esto: 

Fisuración por corrosión por tensión por sulfuro (SSCC): Aunque el contenido de Cr (18-20%) en 304/304L puede formar una película pasiva, en un entorno de baja temperatura y alta presión con presencia de H₂S, la película pasiva tiende a ser destruida, y su estructura austenítica tiene una mayor sensibilidad a la SSCC. El uso a largo plazo puede provocar fisuras intergranulares o transgranulares.

Pitting y corrosión en hendiduras: Si hay una traza de iones cloruro en el sistema (como los que se introducen por fugas de enfriamiento con agua de mar), el equivalente a la resistencia al pitting (PREN ≈ 18-20) de 304/304L es relativamente bajo, mucho más bajo que el de 316L (PREN ≈ 24-26). Es más propenso a sufrir pitting a bajas temperaturas (con mayor actividad iónica), especialmente en las hendiduras de bridas y válvulas. 

III. Limitaciones de las propiedades de soldadura y procesamiento

Embritamiento de la unión soldada: Cuando se solda 304/304L, si no se proporciona una protección adecuada, tiende a formar una estructura de Widmanstätten o segregación de ferrita, lo que provoca una disminución adicional de la tenacidad de la unión soldada a bajas temperaturas. Además, la resistencia a la corrosión de la zona de soldadura puede reducirse debido a la pérdida de Cr y Ni, convirtiéndose en un punto débil a la corrosión.

La influencia del endurecimiento por trabajo en frío: Los conductos de GNL a menudo requieren doblado y conformado en condiciones frías. Después del procesamiento en frío, el 304/304L es propenso a generar tensiones residuales, y la estructura austenítica puede transformarse parcialmente en martensita (especialmente el 304), lo que provoca un deterioro de la tenacidad a baja temperatura y aumenta el riesgo de grietas por corrosión bajo tensión. 

IV. Limitaciones claras de normas y especificaciones

Las normas internacionales para el diseño de sistemas de GNL (como ASME B31.3, EN 13480, API 620) tienen requisitos estrictos para los materiales: 

El requisito específico es que la tenacidad de impacto a baja temperatura del acero utilizado para el equipo a baja temperatura debe cumplir con -196℃: Ak ≥ 27J (el valor mínimo), y el 304/304L generalmente no cumple con esta norma.

Para los conductos en contacto con GNL que contiene azufre, se deben utilizar aceros de alta resistencia de aleación baja resistentes a la SSCC o aleaciones a base de níquel. El 304/304L queda excluido de la selección principal debido a su sensibilidad a la SSCC. 

Resumen: Los escenarios de aplicación de 304/304L en los sistemas de GNL son limitados.

Sólo se puede utilizar en secciones auxiliares no nucleares, de baja presión y de ciclo corto (como las tuberías de conexión de accesorios de temperatura constante de los tanques de almacenamiento de GNL y las tuberías de instrumentos alejadas de la zona de baja temperatura), y es necesario controlar estrictamente la pureza del medio (sin H₂S, Cl⁻) y la temperatura de funcionamiento (no inferior a -100℃).

Los sistemas nucleares (como los tanques de almacenamiento criogénicos, las tuberías de transporte principales, las tuberías de conexión de bombas y válvulas) deben utilizar acero criogénico especializado (como acero de 9% Ni) o acero inoxidable de alta aleación (como 316L, 304Lmod) para garantizar la seguridad y la fiabilidad.