¿Cómo afecta el método de fabricación de los tubos de acero inoxidable 316 (trefilados sin costura versus soldados y recocidos) la selección segura del espesor de pared para las cubiertas de calentadores eléctricos?

La diferencia entre los tubos trefilados sin costura y los tubos soldados y recocidos comúnmente es ignorada por los ingenieros de compras y los fabricantes de elementos calefactores que exigen tubos con funda de acero inoxidable 316. Ambos productos se fabrican según la misma norma ASTM A269 o A213 para cualidades químicas y mecánicas. Ambos tienen los mismos espesores de pared nominales y diámetros exteriores. Pero los dos procesos de fabricación dan como resultado tubos con microestructuras, estados de tensión residuales y poblaciones de fallas fundamentalmente diferentes. Estas variaciones afectan directamente el espesor mínimo de pared seguro para una aplicación particular, particularmente cuando la funda está expuesta a flexión, estampado, vibración o ciclos térmicos. El artículo ofrece una cuantificación de las diferencias de ingeniería entre los tubos 316 soldados y sin costura para fundas de calentadores. Proporciona factores de reducción del espesor de pared para cada tipo de fabricación y establece criterios de selección basados ​​en la severidad del conformado y las condiciones de servicio.

Diferencias en la microestructura y defectos de los tubos 316 soldados y sin costura
El tubo 316 sin costura se fabrica perforando un tocho sólido y luego arrastrando la carcasa hueca formada sobre un mandril a través de una sucesión de troqueles reductores. La microestructura del último tubo es homogénea y está trabajada con líneas de flujo de grano paralelas a la circunferencia del tubo. Los límites de los granos son uniformes y están orientados aleatoriamente. No hay costura de soldadura longitudinal, por lo que no hay posibilidad de defectos de soldadura como penetración parcial, inclusiones de óxido o sensibilización de la zona afectada por el calor. Sin embargo, los tubos sin costura tienen dos restricciones para aplicaciones de envoltura calefactora. En primer lugar, el dibujo puede introducir rayones en la superficie y fallas en el revestimiento interior que no se detectan fácilmente mediante pruebas no-destructivas. En segundo lugar, los tubos sin costura de paredes delgadas- (espesor de pared < 1,0 mm) se están volviendo cada vez más caros y difíciles de producir sin fluctuaciones del espesor de pared superiores al ±10%. Los tubos soldados 316 están hechos de una tira plana a la que se le da forma de cilindro. La costura longitudinal se suelda por fusión, utilizando comúnmente soldadura con gas inerte de tungsteno sin metal de aportación. Luego, el tubo se estira en frío y se recoce para mejorar la microestructura de la zona de soldadura y restaurar la resistencia a la corrosión. En tubos soldados y recocidos bien fabricados, la zona de soldadura se ha recristalizado hasta obtener una estructura de grano casi indistinguible del metal base. Pero la línea de soldadura sigue siendo una fuente potencial de debilidad. Incluso después del recocido posterior, la zona de soldadura aún puede incluir una orientación de grano ligeramente alterada, tensiones residuales y, en el caso de tubos mal procesados, la precipitación de carburos de cromo que disminuye la resistencia a la corrosión localizada. Estas variaciones se vuelven prácticamente importantes para las fundas de calentadores que se doblarán, estamparán o vibrarán.

Efecto del método de fabricación sobre el espesor mínimo de pared seguro para doblar
Las fundas de los calentadores eléctricos a menudo tienen formas de U-, L-o geometrías únicas para insertarlas en las boquillas de los recipientes o para lograr patrones de calentamiento uniformes. En el proceso de flexión, el radio exterior está sometido a tensiones de tracción y el radio interior está sometido a fuerzas de compresión. Para un radio de curvatura determinado, las paredes más delgadas son más propensas a pandearse en el lado de compresión y a adelgazarse en el lado de tensión. El parámetro importante es la relación de curvatura - radio de la línea central de curvatura/diámetro exterior del tubo. Con los tubos 316 sin costura, los espesores de pared de hasta 1,0 mm se pueden doblar en una proporción de 3:1 sin herramientas específicas ni mandriles internos. Para una relación de curvatura de 2:1 se requiere un espesor de pared mínimo de 1,2 mm para una construcción lisa. Para tubos soldados y recocidos se debe prestar especial atención a la orientación de la costura de soldadura con respecto al plano de curvatura. El riesgo de agrietamiento de la zona de soldadura se minimiza si la costura de soldadura se encuentra en el eje neutro de la curvatura - la línea de tensión cero. El espesor mínimo de pared seguro aumenta aproximadamente un 25% cuando la costura de soldadura se encuentra en el radio de tensión exterior o en el radio de compresión interior. Para un tubo soldado con una relación de curvatura de 3:1, el espesor mínimo de pared es de 1,2 mm, con la costura de soldadura orientada correctamente. Para una relación de curvatura de 2:1, un tubo soldado debe tener al menos 1,5 mm de espesor para cualquier orientación de costura. Estas sugerencias se basan en la suposición de que se realizará el recocido apropiado después de la soldadura. Los tubos soldados sin recocer, que rara vez se usan en calentadores pero que se encuentran en artículos de bajo costo, nunca deben doblarse, ya que la zona de soldadura no es dúctil y se romperá con deformaciones moderadas.

Límites de estampación y reducción de diámetro de fundas 316 soldadas y sin costura
El diámetro exterior de la funda que encierra el aislamiento de óxido de magnesio compactado y el cable de resistencia se reduce mediante la operación de estampado. Las relaciones de estampado-relación entre el diámetro exterior del tubo original y el diámetro final-a menudo están en el rango de 1,1:1 a 1,4:1 para la fabricación de calentadores normales. El aumento de la relación de estampado aumenta la densidad del empaque de MgO y mejora la transferencia de calor, pero también aumenta la tensión circunferencial en el material de la funda. Los tubos 316 sin costura se pueden estampar hasta una proporción de 1,5:1 y aun así tener un espesor de pared tan bajo como 0,8 mm antes de que se produzcan microfisuras o un endurecimiento excesivo. La microestructura homogénea da como resultado una distribución uniforme de la tensión en la dirección circunferencial. El estampado tiene un límite práctico inferior para tubos 316 soldados y recocidos. La zona de soldadura, incluso después del recocido, exhibe una estructura de grano ligeramente distinta que se endurece a un ritmo diferente al del metal subyacente. En relaciones de estampado superiores a 1,3:1, puede producirse un adelgazamiento localizado en la línea de soldadura debido a tensiones diferenciales o, en situaciones extremas, grietas longitudinales. Para tubos soldados con un espesor de pared inferior a 1,2 mm, la relación de estampado máxima sugerida es 1,25:1. Para espesores de pared superiores a 1,5 mm se permite una relación de 1,35:1. Estas limitaciones surgen de la orientación de la costura de soldadura, de modo que se evita el contacto concentrado de la herramienta durante el estampado. Si la costura de soldadura está en la línea de separación del útil, es necesario un margen de seguridad adicional.

Comparación de la vida útil de la fatiga por vibración y ciclos térmicos
For heater sheaths subjected to vibration or thermal cycling, the fatigue performance of seamless tubing is always better than that of welded and annealed tubing for the same wall thickness. Seamless tubing has a continuous grain structure and does not have favoured crack initiation sites. Cracks have to start at surface faults or inclusions, which is very unusual in good quality seamless material. The weld zone in welded tubing remains more heavily populated with non-metallic inclusions, microvoids and grain boundary abnormalities, which serve as sites for the start of fatigue cracks, even after annealing. Rotating beam fatigue experiments on 316 tubing with 1.5 mm wall thickness indicate an endurance limit for seamless specimens of approximately 220 MPa at 10 million cycles. Welded and annealed specimens with the weld seam in the direction of highest stress achieve only 160 MPa for the same number of cycles, a reduction of 27%. Further improvement of the endurance limit to around 190 MPa, still 14% lower than seamless performance, is achieved when the weld seam is orientated in the neutral axis. In heater systems subject to vibration levels >2 g, o ciclos térmicos diarios desde temperatura ambiente hasta 150 grados, los tubos sin costura ofrecen una ventaja de confiabilidad mensurable. Para aplicaciones estáticas con pocos ciclos, la diferencia es pequeña.

Matriz de selección de espesor de pared por proceso de fabricación y nivel de conformado
La siguiente tabla muestra los espesores de pared mínimos recomendados para fundas calefactoras de acero inoxidable 316 según el método de fabricación, los procedimientos de formación requeridos y las condiciones de servicio proyectadas. Valores basados ​​en tubos que cumplen con ASTM-de fuentes confiables.

Método de fabricación Operaciones requeridas para formar Condiciones de servicio Espesor de pared mínimo recomendado Relación máxima de estampado Relación máxima de curvatura (línea central/OD)
Sin doblar Sin estampar (solo vainas rectas) Sin costuras Estático, poca vibración 0,8 mm No aplicable No aplicable
Estirado sin costuras Estampado únicamente, sin flexión Estático o baja vibración 0,9 mm 1,5:1 No aplicable
Sin costura Estirado Sin estampado ni flexión Vibración baja a moderada 1,0 mm No aplicable 3:1
Estirado sin costuras Doblado y estampado Vibración moderada, ciclos térmicos 1,2 mm 1,4:1 3:1 Estirado sin costuras Doblado y estampado Alta vibración, ciclos térmicos severos 1,5 mm 1,3:1 4:1 Soldado y recocido Sin curvatura, sin estampado (solo vainas rectas) Ambiente estático y limpio 1,0 mm No relevanteN/A
Soldado y recocido Sólo estampado, sin flexión Estático o baja vibración 1,2 mm 1,25:1 No aplicable
Soldadura, recocido Sólo doblado, sin estampado Vibración baja, costura de soldadura en eje neutro 1,2 mm No aplicable 3:1 con costura neutra
Soldado y recocido Doblado y estampado Vibración moderada, ciclos de calor 1,6 mm 1,2:1 4:1 con costura neutra
Soldado y recocido Doblado y estampado Alta vibración, cualquier ciclo de calor 2,0 mm 1,2:1 5:1 con costura neutra Costo y disponibilidad Compensaciones-entre tubos sin costura y soldados
Se deben tener en cuenta las diferencias de ingeniería entre el tubo 316 sin costura y el tubo soldado, junto con el costo y la disponibilidad. Para espesores de pared superiores a 1,5 mm, el tubo sin costura es aproximadamente un 15-25 % más caro que el tubo soldado y recocido con las mismas dimensiones. La prima para los tubos sin costura cae al 10-15% para espesores de pared de 1,0 mm a 1,5 mm. Para espesores de pared inferiores a 1,0 mm, resulta difícil fabricar tubos soldados de manera consistente y los tubos sin costura son generalmente la única opción accesible o solo exigen una prima modesta. Los plazos de entrega también varían. Los tubos soldados se fabrican en longitudes continuas mayores y se obtienen más comúnmente en existencias en tamaños estándar. La fabricación en fábrica de tubos sin costura, particularmente en diámetros no estándar y espesores de pared delgados, frecuentemente tiene plazos de entrega de 8 a 12 semanas. Los tubos soldados proporcionan una ventaja de costos sobre el aserrado y la soldadura para grandes tiradas de producción de diseños de calentadores simples con una confiabilidad aceptable si se especifica la orientación y el recocido adecuados de la costura de soldadura. Los tubos sin costura reducen el riesgo a un grado mensurable que hace que el gasto adicional valga la pena para aplicaciones importantes con conformado extremo, alta vibración o ramificaciones de seguridad en caso de falla.

Conclusión: Ajustar el método de producción a las necesidades de la aplicación
Cuando el ingeniero especifica fundas de acero inoxidable 316 para calentadores eléctricos de inmersión, la forma en que se fabrica la tubería no es un detalle menor sino un parámetro de diseño que tiene consecuencias directas para el espesor mínimo de pared seguro. El tubo trefilado sin costura tiene una mayor ductilidad para la flexión, mayores relaciones de estampado permitidas y una vida útil mejorada ante la fatiga, lo que permite utilizar paredes más delgadas en aplicaciones exigentes. El tubo soldado y recocido, si se procesa correctamente con control de la orientación de la costura de soldadura, es aceptable para aplicaciones estáticas o de baja-tensión a un costo menor. El gran error es pensar que los dos elementos son intercambiables. La sustitución de un diseño de calentador con tubería sin costura con un espesor de pared de 1,0 mm por tubería soldada no es sencilla ya que se requiere una recalificación. La variante soldada tendrá márgenes de seguridad reducidos para doblar y estampar y una vida de fatiga reducida bajo vibración. Al definir las especificaciones del calentador para los proveedores, los ingenieros deben definir el proceso de fabricación deseado del calentador, es decir, sin costuras o soldado, en lugar de simplemente especificar el grado del material y las dimensiones. Para aplicaciones donde el espesor mínimo de la pared se acerca a los límites establecidos en la matriz anterior, se recomienda solicitar informes de pruebas de materiales que incluyan datos sobre el tamaño del grano y la dureza de la zona de soldadura para una mayor garantía de calidad. El gasto adicional de especificar tubos sin costura para aplicaciones esenciales es insignificante en comparación con el costo de las fallas en el campo debido a costuras de soldadura fracturadas o fracturas por fatiga.