Las bridas a baja temperatura están fabricadas a partir de materiales sometidos a pruebas de impacto seleccionados especialmente para mantener la ductilidad y la tenacidad a la fractura por debajo del rango del acero al carbono estándar. Cuando las temperaturas caen por debajo de -20°F, el acero al carbono ASTM A105 estándar pierde su resistencia al impacto y se vuelve susceptible a la fractura frágil. Los grados a baja temperatura son esenciales para aplicaciones de tuberías de GNL, criogénicas y árticas donde se debe evitar la falla por fractura frágil.
¿Qué son las bridas a baja temperatura?
Las bridas a baja temperatura son bridas fabricadas a partir de materiales que han sido sometidos a pruebas de impacto para verificar su tenacidad a la fractura a la temperatura mínima de diseño. El acero al carbono estándar (ASTM A105) experimenta una transición de dúctil a frágil a medida que disminuye la temperatura, perdiendo su capacidad de absorber energía de impacto sin agrietarse. Los grados de material a baja temperatura están formulados con química controlada y tratamiento térmico para mantener la ductilidad a temperaturas bajo cero. Estas bridas están reguladas por ASME B16.5 con requisitos de material adicionales especificados en el código aplicable (ASME B31.3 para tuberías de proceso) y el estándar de material mismo.
Opciones de material
La siguiente tabla resume los materiales de bridas a baja temperatura más comunes y sus temperaturas mínimas de servicio:
| Estándar del material | Grado | Temp. Min. de Diseño | Características Clave | Aplicación Típica |
|---|---|---|---|---|
| ASTM A350 | LF2 | -50°F | Acero al carbono a baja temperatura más común | GNL, servicios refrigerados |
| ASTM A350 | LF3 | -150°F | Tenacidad mejorada a baja temperatura | Procesamiento de gas criogénico |
| ASTM A182 | F304L | -425°F | Aceros inoxidables austeníticos, excelentes propiedades criogénicas | GNL, nitrógeno líquido |
| ASTM A182 | F316L | -425°F | Bajo carbono, resistente a la corrosión criogénica | Servicio criogénico corrosivo |
| ASTM A182 | F51 (2205) | -50°F | Duplex, uso limitado a baja temperatura | Gas ácido, marino a baja temperatura |
A350 LF2 es el grado de acero al carbono a baja temperatura dominante, proporcionando buena tenacidad hasta -50°F a un costo moderado sobre A105. Para servicios más fríos hasta -150°F, A350 LF3 con su mayor contenido de níquel proporciona mayor tenacidad. Para temperaturas criogénicas por debajo de -150°F, se requieren aceros inoxidables austeníticos como F304L y F316L debido a que su estructura cristalina cúbica centrada en las caras permanece dúctil a cualquier temperatura.
Clasificaciones de Presión-Temperatura
Las clasificaciones de presión-temperatura para bridas a baja temperatura siguen las tablas estándar ASME B16.5 para cada grupo de material. Los aceros inoxidables austeníticos retienen sus propiedades mecánicas excepcionalmente bien a temperaturas criogénicas, de hecho, se vuelven más fuertes a medida que la temperatura disminuye. Las calificaciones del acero al carbono disminuyen significativamente a bajas temperaturas, y algunas clases de material pueden ser reducidas por debajo de ciertas temperaturas. La temperatura mínima de diseño para cada material está determinada por la temperatura de calificación de la prueba de impacto del material, no por límites arbitrarios.
Requisitos de Prueba de Impacto
Las pruebas de impacto Charpy V-Notch (CVN) son el método estándar para verificar la tenacidad a baja temperatura. ASME B31.3 y ASME B16.5 requieren pruebas de impacto para todas las bridas de acero al carbono y acero de baja aleación utilizadas por debajo de -20°F. La prueba se realiza en muestras tomadas de la brida terminada o de piezas de prueba representativas que reciben el mismo tratamiento térmico. Se especifican valores de energía mínima en el estándar de material y varían según el grado de material y la temperatura mínima de diseño. La temperatura de prueba debe ser igual o inferior a la temperatura mínima de diseño. También se requiere prueba de impacto en metal de soldadura y zonas afectadas por el calor para fabricaciones soldadas.
Aplicaciones
Las bridas a baja temperatura son componentes críticos en las instalaciones de procesamiento, almacenamiento y transporte de GNL donde las temperaturas pueden alcanzar -260°F. Las plantas de separación de gas criogénico y licuefacción de aire separan el aire en oxígeno, nitrógeno y argón a temperaturas extremadamente bajas. Los sistemas de refrigeración y cajas frías en plantas químicas operan a bajas temperaturas. Las instalaciones de tuberías en regiones árticas y subárticas enfrentan temperaturas ambientales que requieren materiales de baja tenacidad en todo el sistema. Los sistemas de manejo de nitrógeno líquido y oxígeno líquido requieren materiales que permanezcan dúctiles a sus temperaturas de almacenamiento.
Certificación y Trazabilidad
Los informes de prueba de materiales (MTR) para bridas a baja temperatura deben incluir resultados de pruebas de impacto que muestren los valores de energía absorbida para cada muestra de prueba. Se requiere trazabilidad completa desde la fundición del acero hasta la brida terminada, con números de calor estampados en cada brida para identificación. La inspección por parte de terceros a menudo se especifica para servicios críticos a baja temperatura para proporcionar verificación independiente de las propiedades del material. Las pruebas de Identificación Positiva de Material (PMI) de la química del material antes de la instalación proporcionan una garantía de calidad adicional.
La conclusión clave es siempre especificar materiales a baja temperatura sometidos a pruebas de impacto para cualquier conexión de brida por debajo de -20°F. Usar acero al carbono estándar por debajo de su temperatura de transición de impacto crea un riesgo de fractura frágil catastrófica que debe evitarse a toda costa.
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