Materiales Para Equipos

8/16/2019 Materiales Para Equipos

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CAPITULO 3

MATERIALES PARA EQUIPAMIENTO DE PROCESOS

Capacidad de identificación y selección de materiales para equipos y estructuras de procesos.

Comprender la importancia del conocimiento de la clasificación de los materiales. Conceptualizar los aspectos referidos a la estimación de costos de inversión en plantas químicas. Comprender la importancia de la contrastación de costos en el diseño de equipos o estructura.

3.1. Materiales de ingeniería. 3.2. Selección de materiales para equipamiento de procesos. 3.3. Factores Generales enselección de materiales. 3.4. Clasificación de materiales para equipos de proceso. 3.5. Especificaciones de materiales.3.6. Recursos para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales. 3.7. Tensiones admisibles en las normas delproyecto. 3.8. Contrastación de costo de los materiales. 3.9. Numero de especificación AISI y SEA. 3.10. Ejemplosprácticos.

3.0 INTRODUCCIONEn forma general los materiales se pueden clasificar en materiales estructurales y materiales funcionales:

Materiales Estructurales: Son los que se utilizan para construir estructuras, edificaciones, etc. Suutilización es función de de las propiedades mecánicas que presentan.Materiales Funcionales: Son los que encuentran aplicación en función de otras propiedades,fundamentalmente físicas como la conductividad eléctrica, propiedades ópticas, magnéticas,químicas, etc.

En los dos casos los materiales se pueden clasificar en:1. Metalicos 2. Polímeros3. Ceramios 4. Compuestos5. Semiconductores

La tendencia actual en la búsqueda de nuevos materiales es función de diferentes factores de entre los cualesse puede destacar los siguientes:

Mejorar las propiedades mecánicas Búsqueda de materiales de bajo peso especifico. Materiales resistentes a elevadas temperaturas. Materiales resistentes a la corrosión. Materiales con propiedades físicas (no mecánicas) muy pequeñas.

Se ha comprobado que las propiedades de los materiales dependen de su estructura, fundamentalmente deltipo de enlace entre los elementos que lo constituyen, la ordenación espacial de los átomos o iones y de lamicro estructura, es decir, el espectro que presentan mediante observaciones microscópicas.

3.1 MATERIALES DE INGENIERÍA

Materiales Metálicos: Estos materiales son sustancias inorgánicas que están formadas por uno o máselementos metálicos y pueden contener también algunos elementos no metálicos (C, N, y O). Los metales sonen general buenos conductores térmicos y eléctricos. A este tiempo son los que tienen mayor utilidad debido asus propiedades mecánicas, tales como la dureza, resistencia a esfuerzos, tenacidad (energía necesaria paraque se rompan), facilidad para adoptar una forma permanente, elevado punto de fusión, son dúctiles atemperatura ambiente. Como inconvenientes están su elevadadensidad en muchos casos y su tendencia a reaccionar con agentes químicos agresivos, produciéndosefenómenos de corrosión que pueden inutilizarlos para el servicio al que están destinados.


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Los metales se utilizan por lo general para miembros que soportan carga en edificios, operación a elevadapresión (100 a 600 psi), maquinas y amplia variedad de productos al consumidor. Las vigas y columnas enedificios están hechas de acero estructural o aluminio. En automóviles se utiliza un gran número de aceroscomo laminas de acero al carbono para paneles de carrocería, aleaciones de corte libre para piezasmaquinadas y aleaciones de alta resistencia para engranes y piezas sometidas a cargas excesivas. El hierrocolado se utiliza en bloques de motores, también de frenos y cabeza de cilindros. Las herramientas, resortes yotras piezas requieren de una alta dureza y resistencia al desgaste están hechas de acero que contienen grancantidad de carbono. Los aceros inoxidables se utilizan en equipo de transporte, productos para plantasquímicas y equipos de cocina donde se requieren resistencia a la corrosión.

El aluminio tiene mucha aplicaciones del acero, como bastidores para equipo móvil. Su resistencia a lacorrosión permite que se utilice en tanques de almacenaje químico, utensilios de cocina, equipo marino yproductos como postes indicadores de carretera. Los pistones de automóviles, molduras y cuerpostroquelados de bombas y alternadores son de aluminio. Las estructuras para aviones, las piezas de motores ylos revestimientos de lámina metálica utilizan aluminio por su alta razón de“resistencia/peso” .

El cobre y sus aleaciones, como latón el bronce, se utilizan en conductores eléctricos, intercambiadores decalor, resortes, bujes, herrajes marinos y piezas para interruptores. Con frecuencia se utiliza el magnesio enpiezas para camiones, ruedas y piezas de enceres para el hogar. El zinc tiene usos similares y también`puede forjarse en componentes de maquinaria y herramienta industrial. El titanio tiene una alta proporción deresistencia en razón con su peso y una buena resistencia ala corrosión y, por consiguiente se utiliza en piezaspara aviones, recipientes de presión y equipo químico.

Materiales Ceramios:Son materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos unidosquímicamente. Compuestos químicos constituidos por metales y no metales (óxidos, nitruros y carburos)pertenecen al grupo de las cerámicas, que incluyen minerales de arcilla, cemento vidrio. Las ventajas de losmateriales cerámicos para aplicaciones de ingeniería son su bajo peso, su alta resistencia al calor y a la

humedad, su reducida fricción, y propiedades aislantes.

Por lo general presenta gran dureza, elevada resistencia a la compresión y elevado punto de fusión. Sonresistentes a muchos medios agresivos químicamente. El principal inconveniente es su fragilidad. En generalson materiales que son aislantes eléctricos y térmicos y que a elevada temperatura y ambientes agresivos sonmas resistentes que los metales y los polímeros. Desde el punto de vista mecánico, las cerámicas son duras ymuy frágiles.

La propiedad aislante, resistencia al calor y a la humedad de muchos materiales cerámicos los hacen útilespara recubrimientos de hornos de fundición; un espacio de aplicación importante son los enlosados cerámicospara vehículos espaciales durante el ascenso de salida y en la entrada en la atmosfera.

Materiales Poliméricos (plásticos): Los polímeros comprenden materiales que van desde los plásticos alcaucho. Se trata de compuestos orgánicos, basados en el carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos,caracterizado por la gran longitud de las estructuras moleculares.Son fácilmente deformables, resistentes a medios agresivos y no presentan las propiedades mecánicas de losmetálicos y los cerámicos. Su desventaja es que se deterioran a temperaturas relativamente bajas (a 200-300 ºC se inutilizan).Una de sus grandes ventajas es su baja densidad lo que los hace interesantes enindustrias como la automoción y aeronáutica.


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Materiales Compuestos:Resultan de la mezcla de dos o más materiales (de tipo Sándwich), de diferentestipos, como por ejemplo, plásticos reforzados con partículas metálicas o cerámicas. La mayoría de losmateriales compuestos consisten en un relleno escogido o material de refuerzo y una resina compatible deunión para obtener unas características especificas y propiedades deseadas. Normalmente los componentesno se disuelven uno en otro y pueden ser físicamente identificados por una interface entre ellos.

Se han diseñado materiales compuestos formados por más de un tipo de material, Fibra de vidrio, que esvidrio en forma de filamentosa embebido dentro de un material polimérico (Ejemplo fibra de vidrio commaterial de refuerzo en una matriz de poliéster o epoxídica y fibras de de carbono en una matriz epoxídica).Los materiales compuestos o composito están diseñados para alcanzar la mejor combinación de lascaracterísticas de cada componente. La fibra de vidrio es mecánicamente resistente debido al vidrio y flexibledebido al polímero. La mayoría de los materiales desarrollados últimamente son materiales compuestos.

Semiconductores:Tienen como característica que elevan su conductividad eléctrica al aumentar sutemperatura.Los semiconductores tienen propiedades eléctricas intermedias entres los conductores y los aislanteseléctricos. Las características eléctricas de los semiconductores son extremadamente sensibles a la presenciade diminutas concentraciones de átomos de impurezas. Estas concentraciones se deben controlar en regionesespaciales muy pequeñas. Los semiconductores posibilitan la fabricación de los circuitos integrados que hanrevolucionado, en las últimas décadas, las industrias electrónicas y de ordenadores.

3.2. SELECCIÓN DE MATERIALES PARA EQUIPAMIENTO DE PROCESOS

La selección de materiales requiere considerar muchos factores. Por lo general deben evaluarse la resistencia,rigidez, ductilidad, peso, resistencia a la corrosión, capacidad de maquinado, facilidad para trabajarse,

soldabilidad, aspecto, costo y disponibilidad. En estudio de la resistencia de materiales, los primeros tresfactores son importantes,“resistencia, rigidez y ductilidad” .

En la actualidad los materiales se diseñan de acuerdo a una aplicación específica, esto es gracias a la grancantidad de información disponible y a las herramientas que permiten predecir el comportamiento mecánico deun material y las condiciones físico-químicas de trabajo. Los factores que se deben considerar para laselección de un material son:

Nº Factor Tipos de propiedades.1 Económicas Precio y disponibilidad ( costo de fabricación), Reciclabilidad

2 Físicas Densidad, estabilidad dimensional.

3 Mecánicas Módulos, Límite elástico y resistencia a la tracción, DurezaTenacidad a la fractura, Resistencia a la fatiga, Resistenciaa la fluencia, Amortiguamiento de las vibraciones

4 Térmicas Conductividad térmica, Calor específico, Coeficiente deexpansión térmica

5 Eléctricas y magnéticas Resistividad, Constante dieléctrica, Permeabilidadmagnética

6 Interacción con el entorno Oxidación, Corrosión, Desgaste7 Producción Factibilidad y facilidad de fabricación, Unión, Acabado8 Estéticas Color, Textura, Aspecto


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9 Estabilidad físico-química Resistencia a condiciones agresivas (acido, básico, alcalino)La corrosión es la causa principal de de la destrucción de los equipos de la industria química. La mayoría delas destrucciones pueden prevenirse escogiendo adecuadamente los materiales. Entre ellos están comoopciones no solo los metales, sino también los plásticos (termoplásticos y termoestables), cauchos materialescerámicos y pinturas.

En las plantas que operan en continuo, por ejemplo las refinerías de petróleo e instalaciones petroquímicas,las pérdidas de producción debidas a deterioros por corrosión son tan costosas que justifica el uso de losmateriales más caros, como por ejemplo el tantalio, en intercambiadores de calor de unidades de recuperaciónde ácido. En instalaciones más sencillas, puede ser más económico seleccionar materiales de menor costo yprogramar limpiezas frecuentes de los equipos para prevenir la corrosión.Para un buen diseño son esenciales considerar los siguientes factores:

1. Tamaño de la planta. 2. Condiciones de trabajo.3. Cuestiones económicas 4. Tipo de corrosión.5. Adecuada información de los

materiales que se pueden escoger.

6. Características del material

frente a la corrosión.

Solución mas económica en problemas de corrosión, es necesario estudiar el tipo de corrosión que sepresenta y conocer las condiciones en que opera el equipo, tanto las normales como las posiblescircunstanciales, como por ejemplo paradas o puesta en marcha del equipo.

Económicamente no es interesante diseñar un equipo (planta) que este libre totalmente de corrosión,Velocidad de 0,1 mm/año e incluso hasta 5 a 6 mm/año suelen ser tolerables. Dependiendo del coste de losmateriales alternativos y del grado de contaminación que puede aceptarse.

En industrias de fabricación de productos farmacéuticos, donde los contaminantes son inaceptables, es

necesario realizar recubrimientos, por ejemplo a base de resinas epoxi. En casos de temperaturas muyelevada, hay que acudir a los de teflón, a pesar de elevado coste y difícil aplicación y procesado.

Los códigos para recipientes a presión preveen las condiciones de corrosión al indicar el espesor de lasparedes. Según del tipo de corrosión generalizada, picaduras bajo tensiones, con fatiga, intergranular, etc., seproponen diferentes soluciones.

En frio puede transportarse ácido sulfúrico concentrado en tuberías de acero al carbono, siempre que lavelocidad de circulación se inferior a 1 m/s. Debido a ello, en este caso, es mejor utilizar tuberías de acero alcarbono de diámetros grandes que de acero inoxidable de diámetro pequeño.

Si los serpentines de calefacción de tanques que contienen sosa caustica se colocan fuera del tanque, puedenser de acero al carbón, pero si se colocan en el interior deben ser aleaciones de níquel, ya que el acero alcarbono esta sujeto a la fragilidad caustica.

Corrosión por picadura de aceros inoxidables en intercambiadores de calor de salmueras pueden prevenirseeliminando los restos de salmuera cuando no se utiliza el equipo.


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Después de seleccionar los materiales hay que asegurarse que han sido fabricados con las especificacionescorrectas.

Las tuberías soldadas son menos costosas que las sin costura, pero en condiciones corrosivas hay queespecificar el tratamiento térmico a que debe someterse el material después de la soldadura. La norma ASTM A312, que cubre tuberías sin costura de acero inoxidable austenitico de la serie 300, indica que esindispensable un tratamiento a 1400 ºC después de la fabricación. Es indispensable adjuntar un Pliego deCondiciones detallado para cada caso.

3.2.1. IDENTIFICACION DE MATERIALES EN LA PLANTA Con objeto de revisar si los materiales de los diferentes equipos e instalaciones son los adecuados, esinteresante disponer de una serie de tests de fácil aplicación in situ: procedimientos químicos, chispa,mecánicos, termoeléctricos, espectroscopia óptica de emisión, espectroscopia de emisión de rayos X.

Tests Químicos

Para cado caso se aplican indicadores adecuados; en la identificación de metales solo puede detectarsefácilmente por este procedimiento: acero de bajo contenido de carbono, aceros con contenido de cromo de un2 a un 9%, aceros con contenido de niquel del 3,5 %, aceros con contenido de molibdeno, níquel puro,magnesio y aluminio.Se debe tener cuidado de eliminar cualquier producto superficial procedente de una corrosión. Por ejemplo enel caso del molibdeno se extraen unos miligramos del material con ácido nítrico, se procede a unaconcentración y filtrado de impurezas. Si al añadir a esta solución HCl y tiosulfato sódico aparece unacoloración rosa, denota la presencia de pequeñas cantidades de molibdeno, si la coloración es azul oscuro,indica que la cantidad de molibdeno es mayor de 9%

3.6 RECURSOS PARA MEJORAR LAS PROPIEDADES DE MATERIALES

3.9. ESPECIFICACIONES DE MATERIALES (CLASIFICACION, AISI y SEA)

Las especificaciones de materiales normalizados o “standard” son numerosas, como también las asociacionesencargadas de establecer estas. Las mas usadas en Estados Unidos son: La Sociedad Norteamericana deEnsayo de Materiales (ASTM = American Society for Testing Materials), la Sociedad de Ingenieros de Automoción (SAE = Society of Automotive Engineers) y el Intituto Norteamericano del Hierro y del Ace

(A.I.S.I.=American Iron and Steel Institute). Los números SAE y AISI son iguales para el acero, excepto enque el AISI utiliza prefijos B, C, D, y E para indicar el método de obtención del acero.

Se introdujo el orden en la clasificación de metales mediante el uso del Sistema de Numeración Unificado(SUN), Satndard Practice for Numbering Metals and Alloys (UNS = Practicas Normativas para la Numeraciónde Metales y Aleaciones). Ademas de listar los materiles controlados por la ASTM, la SNU cordina lasdesignaciones de:The Aluminum Association (AA) Asociación de American Iron and Steel Institute (AISI) Institu


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Aluminio Estadounidense del Hierro y el Acero.Copper Development Association (CDA) (Asociaciondel Desarrollo del Cobre.

Society of Automotive Engineers (SAE) (Sociedad deIngenieros Automotrices)

Las series primarias de números dentro del SNU se lista en la tabla 3.1. junto con la organización responsablede asignar números dentro de cada serie.

Tabla 3.1 sistema de numeración unificado SNU

Número de Serie Tipo de metales y aleaciones OrganizaciónresponsableMetales no ferrosos y aleaciones

A00001-A99999C00001-C99999E00001-E99999L00001-L99999

M00001-M99999N00001-N99999P00001-P99999R00001-R99999Z00001-Z99999

Aluminio y aleaciones de aluminioCobre y aleaciones de cobreTierras raras y aleacionesMetales de bajo punto de fusión y aleacionesMetales no ferrosos y aleaciones miseeláneosNíquel y aleaciones de níquelMetales preciosos y alecionesMetales reactivos y refractarios y aleacionesZinc y aleaciones de zinc

AACDA

ASTM ASTM ASTM

SAE ASTM

SAE ASTM

Metales ferrosos y aleacionesD00001-D99999F00001-F99999

G00001-G99999

H00001-H99999J00001-J99999

K00001-K99999S00001-S99999

T00001-T99999

Aceros con propiedades mecánicas específicasHierros y aceros fundidos Acero al carbono y aleaciones de acero (incluye losantiguos aceros al carbono y aleaciones de aceroSAE). Aceros H; endurecibilidad especificada Aceros fundidos (excepto aceros paraherramientas) Aceros y aleaciones ferrosas miscelaneos. Aceros resistentes al calor y la corrosión(inoxidables) Aceros para herramientas

SAE ASTM AISI

AISI ASTM

ASTM ASTM

AISI

AISI X X X X

Contenido de carbonoNumero de aleación; Indicaprincipales elemento de aleación

Ejemplos:AISI Descripción según AISI SNU1020 (20 = 0,20% de carbono; 10 = Acero al carbono normal) G102004140 (40 = 0,40 % de carbono; Molibdeno y cromo como aleaciones) G41400

En referencia al hacer, la primer cifra (o las dos primeras) del número representa un tipo de acero, ejemplo1XXX es un acero al carbono corriente, 11XX es un acero al carbono corriente con mayor contenido de azufrepara facilidad de corte, 2XXX es un acero al níquel. Las dos últimas cifras en un número de especificación de


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cuatro cifras, se refiere al contenido aproximado o promedio de carbono en “puntos” o centésimas de 1 %.Ejemplo: SAE 1030 o un C1030 tiene aproximadamente un 0,30 % de carbonoes decir 30 puntos de carbono(el intervalo nominal de contenido de carbono es 0,28 -0,34 %). En el 8620, el contenido medio de carbono esaproximadamente 0,20 % (intervalo de 0,18-0,23 %).

En el Sistema AISI los prefijos tienen los significados siguientes:B Cero Bessemer acido al carbono C Acero Siemens-Martin básico al carbonoD Acero Siemens-Martin ácido al carbono E Acero de horno eléctrico (ordinariamente aleado)B o L en medio del Nº de especificación indica que se añadió B o Pb; 94 B 40 y 11 L 41H al final indica que se puede adquirir con una templabilidad especifica, como 9840H

En el Sistema SAE la notación tienen los significados siguientes:SAE ACERO SAE ACERO

10XX Ordinario al carbono 4XXX Molibdeno11XX Fácil mecanización 43XX Molibdeno cromo niquel13XX Manganeso 47XX Molibdeno cromo niquel14XX Boro 5XXX Cromo2XXX Níquel 92XX Silicio manganeso3XXX Cromo- vanadio 9XXX Niquel cromo molibdeno

3.9.1. ACERO

El termino acero se refiere a aleaciones de hierro y carbono, en muchos casos otros elementos. Por la grancantidad disponible, en la sección se clasifican comoaceros al carbono, aceros aleados, acerosinoxidables y aceros estructurales.

En el caso de aceros al carbono y aceros aleados, se utiliza el código de designación de cuatro dígitos paradefinir cada aleación, estos deben corresponder a los aceros clasificados por el Instituto Americano del Hierroy el Acero y la Sociedad de Ingenieros Automotrices. Los primeros dos dígitos para el acero denota losprincipales elementos de la aleación, además del carbono presentes en el acero. Los últimos dos dígitosdenotan el porcentaje medio (o puntos) de carbono en el acero. Por ejemplo, si los últimos dos dígitos son40, el acero tendrá aproximadamente 0,4 % de contenido de carbono. En general conforme aumenta elcontenido de carbono, también se incrementa la resistencia y dureza del acero. El contenido de carbono, entérminos generales, varia de un mínimo de 0,1 % a aproximadamente 1,0 %, Es importante destacar que sibien la resistencia aumenta al incrementar el contenido de carbono, el acero también se vuelve más frágil.

La tabla 3.2 muestra los principales elementos de la aleación que corresponden a los primeros dígitos. Latabla 3.3 muestra las aleaciones ms comunes junto con los principales usos década una.

Tabla 3.2 Principales elementos de la aleación en aleaciones de acero.Nº AISI Elementos de aleación Nº AISI Elementos de aleación10XX Carbono simple 46XX Molibdeno-níquel11XX Azufre (de corte fácil) 47XX Molibdeno-níquel-cromo13XX Manganeso 48XX Molibdeno-níquel14XX Boro 5XXX Cromo


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2XXX Níquel 6XXX Cromo-vanadio3XXX Níquel-cromo 8XXX Níquel-cromo-molibdeno4XXX Molibdeno 9XXX Níquel-cromo-molibdeno

Tabla 3.3. Aleaciones de acero más comunes y usos típicos.Nº AISI Usos típicos Nº AISI Usos típicos1020 Acero estructural, barras, placas 1040 Piezas de maquinaria, flechas1050 Piezas de maquinaria 1095 Herramientas, resortes1137 Flechas, piezas para tornos de roscar

(aleaciones fáciles de maquinar)4130 Acero de alta resistencia para usos

generales; flechas, engranes, pernos5160 Engranes y tornillos de alta resistencia 8760 Herramientas, resortes, cinceles4140 Igual que 4130 4150 Igual que 4130

Las propiedades mecánicas del carbono y los aceros aleados son sumamente sensibles a la manera en quese forma, y a los procesos de tratamiento térmico.

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