¿Por qué no se recomienda utilizar el material 304 para los pernos?

(1) ¿Cuáles son las diferencias básicas entre los materiales 304, 304L, 316 y 316L?

304, 304L, 316 y 316L son los tipos comunes de materiales de acero inoxidable utilizados en las uniones de bridas (incluidas las bridas, los elementos de sellado y los elementos de sujeción).

304, 304L, 316 y 316L son las designaciones de tipos de acero inoxidable según las normas de materiales estadounidenses (ANSI o ASTM), que pertenecen a la serie 300 de acero inoxidable austenítico. Los grados correspondientes a las normas de materiales nacionales (GB/T) son 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316) y 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Generalmente, este tipo de acero inoxidable se denomina colectivamente acero inoxidable 18-8.

Consulte la Tabla 1. Debido a los diferentes elementos de aleación añadidos y la cantidad de adición, las propiedades físicas y mecánicas de 304, 304L, 316 y 316L también son diferentes. En comparación con el acero inoxidable común, tienen una excelente resistencia a la corrosión, resistencia al calor y rendimiento de procesamiento. La resistencia a la corrosión de 304L es similar a la de 304, pero debido a que el contenido de carbono de 304L es menor que el de 304, su resistencia a la corrosión intergranular es mayor. 316 y 316L son aceros inoxidables que contienen molibdeno. Debido a la adición de elementos de molibdeno, su resistencia a la corrosión y al calor es mejor que la de 304 y 304L. Del mismo modo, debido a que el contenido de carbono de 316L es menor que el de 316, su resistencia a la corrosión cristalina es mejor. La resistencia mecánica de este tipo de acero inoxidable austenítico, 304, 304L, 316 y 316L, es baja. La resistencia a la fluencia a temperatura ambiente de 304 es de 205 MPa, 304L es de 170 MPa; la resistencia a la fluencia a temperatura ambiente de 316 es de 210 MPa y 316L es de 200 MPa. Por lo tanto, los pernos fabricados a partir de ellos pertenecen a los pernos de grado de baja resistencia. 

Tabla 1 Contenido de carbono, % Resistencia a la fluencia a temperatura ambiente, MPa Temperatura máxima de funcionamiento recomendada, °C 

304    ≤ 0.08        205               816

304L   ≤ 0.03        170               538

316    ≤ 0.08        210               816

316L   ≤ 0.03        200              538 

(2) ¿Por qué las uniones de bridas no deben utilizar pernos hechos de materiales como 304 y 316?

Como se mencionó en las lecciones anteriores, las razones para no utilizar pernos de tales materiales en las uniones de bridas son las siguientes: En primer lugar, debido a la presión interna, las superficies de sellado de las dos bridas se separan, lo que resulta en una reducción correspondiente de la tensión de la junta. En segundo lugar, en condiciones de alta temperatura, la junta experimenta relajación por fluencia o el perno en sí experimenta fluencia, lo que hace que la fuerza del perno también se relaje. Esto también provoca una disminución de la tensión de la junta, de modo que la unión de la brida puede filtrar y fallar.

En la operación real, la relajación de la fuerza de los pernos es inevitable. La fuerza inicial de los pernos apretados siempre disminuirá con el tiempo. Especialmente para las uniones de bridas en condiciones cíclicas severas y a alta temperatura, después de 10,000 horas de operación, la pérdida de carga de los pernos a menudo supera el 50%, y continúa disminuyendo con el paso del tiempo y el aumento de la temperatura.

Cuando la brida y el perno están hechos de diferentes materiales, especialmente cuando la brida es de acero al carbono y el perno es de acero inoxidable, debido a los diferentes coeficientes de expansión térmica del perno y la brida (por ejemplo, a 50℃, el coeficiente de expansión térmica del acero inoxidable (16.51×10-5/℃) es mayor que el del acero al carbono (11.12×10-5/℃)), después de calentar el dispositivo, cuando la expansión de la brida es menor que la del perno, después de la coordinación de la deformación, la elongación del perno disminuye, lo que hace que la fuerza del perno se relaje, lo que puede provocar fugas en la unión de la brida. Por lo tanto, al conectar brides y brides de tubería en equipos de alta temperatura, especialmente cuando los coeficientes de expansión térmica de la brida y el perno son diferentes, es recomendable que los coeficientes de expansión térmica de los dos materiales sean lo más cercanos posible. 

De (1), se puede ver que la resistencia mecánica de los aceros inoxidables austeníticos como el 304 y el 316 es baja. La resistencia a la fluencia a temperatura ambiente del 304 es solo de 205 MPa, y la del 316 es solo de 210 MPa. Por lo tanto, para mejorar las capacidades antirrelajación y antifatiga de los pernos, se adoptan medidas como aumentar la fuerza del perno de instalación. Como se discutirá en las siguientes lecciones, cuando se utiliza la fuerza máxima del perno de instalación, se requiere que la tensión del perno de instalación alcance el 70% de la resistencia a la fluencia del material del perno. Por lo tanto, se debe aumentar el grado de resistencia del material del perno y se deben utilizar materiales de pernos de acero al aleación de alta o mediana resistencia. Es obvio que, excepto para bridas de hierro fundido, no metálicas o juntas de goma, para bridas con clasificaciones de alta presión o juntas de brida semimetálicas y metálicas con alta tensión, los pernos fabricados con materiales de baja resistencia como el 304 y el 316 no pueden cumplir con los requisitos de sellado debido a la insuficiente fuerza del perno.

Aquí, es particularmente importante señalar que en las normas de materiales de pernos de acero inoxidable estadounidenses, 304 y 316 tienen dos categorías cada una, a saber, B8 Cl.1 y B8 Cl.2 para 304 y B8M Cl.1 y B8M Cl.2 para 316. Cl.1 se somete a tratamiento de solución sólida de carburos, mientras que Cl.2 se somete tanto a tratamiento de solución sólida de carburos como a tratamiento de endurecimiento por deformación. Aunque no hay diferencia fundamental en la resistencia a la corrosión entre B8 Cl.2 y B8 Cl.1, la resistencia mecánica de B8 Cl.2 se mejora significativamente en comparación con B8 Cl.1. Por ejemplo, la resistencia a la fluencia de un perno de material B8 Cl.2 de 3/4" es de 550 MPa, mientras que la resistencia a la fluencia de todos los diámetros de materiales de pernos B8 Cl.1 es solo de 205 MPa, una diferencia de más de dos veces. Los materiales de pernos en la norma nacional 06Cr19Ni10 (304) y 06Cr17Ni12Mo2 (316) son equivalentes a B8 Cl.1 y B8M Cl.1. [Nota: S30408 en GB/T 150.3 "Contenedores de presión - Parte 3 Diseño" es equivalente a B8 Cl.2; S31608 es equivalente a B8M Cl.1.

Dadas las razones anteriores, en GB/T 150.3 y GB/T 38343 "Especificaciones técnicas de instalación para conexiones de bridas", se establece que no se recomienda utilizar los materiales comunes 304 (B8 Cl.1) y 316 (B8M Cl.1) para los pernos de las bridas de equipos de soporte de presión y las conexiones de bridas de tuberías, especialmente en condiciones de alta temperatura y ciclicidad severa, deben reemplazarse por B8 Cl.2 (S30408) y B8M Cl.2 para evitar una fuerza de perno de instalación baja.

Cabe destacar que cuando se utilizan materiales de pernos de baja resistencia 304 o 316, incluso durante la etapa de instalación, debido a la falta de control del par, el perno puede haber excedido la resistencia a la fluencia del material e incluso haberse roto. Naturalmente, si se produce una fuga durante la prueba de presión o durante el funcionamiento, incluso si se aprietan más los pernos, la fuerza del perno no puede aumentar y no puede evitar la fuga. Además, estos pernos no se pueden reutilizar después de desmontarlos porque los pernos han sufrido una deformación permanente, el tamaño de la sección transversal del perno ha disminuido y la reinstalación es propensa a la rotura.