El nitrógeno líquido está a -196℃, y el oxígeno líquido y el argón líquido también están en ese rango. El acero al carbono a esta temperatura se fractura frágilmente como el vidrio, mientras que el acero inoxidable austenítico (serie 300) no presenta una transición dúctil-frágil evidente; esa es la razón por la que se ha convertido en el material principal para equipos criogénicos.
Juicio en una frase
A -196℃ se usa 304L o 316L (grados bajos en carbono), no 304/316 convencionales. Cuando el medio es corrosivo (por ejemplo, con cloro o azufre) se usa 316L; para almacenamiento y transporte puramente criogénicos (nitrógeno líquido, oxígeno líquido, argón líquido) basta con 304L. El contenido de ferrita en la soldadura debe controlarse y es obligatorio verificar mediante ensayo de impacto a baja temperatura.
Por qué el bajo carbono es clave
La austenita tiene estructura cúbica centrada en las caras, con muchos sistemas de deslizamiento, y no se fractura frágilmente con facilidad a baja temperatura. Pero esta ventaja tiene dos enemigos:
- Carbono: un contenido alto de carbono forma carburos en los límites de grano, reduce la tenacidad y la resistencia a la corrosión, y además sensibiliza durante la soldadura; por eso los equipos criogénicos usan 304L / 316L (C ≤ 0.03%);
- Ferrita: si en el acero inoxidable austenítico queda ferrita δ en cantidad apreciable (frecuente en la soldadura), la fase ferrítica se vuelve frágil a baja temperatura y se convierte en origen de grietas. Por eso debe controlarse el contenido de ferrita en la soldadura (normalmente se desea bajo; el límite concreto según las condiciones técnicas del proyecto).
Qué revisar en la aceptación
- Ensayo de impacto a baja temperatura: probeta Charpy con entalla en V, midiendo la energía de impacto a la temperatura de servicio (por ejemplo, -196℃). Es el punto de aceptación más importante de los equipos criogénicos; no basta con las propiedades mecánicas a temperatura ambiente;
- Composición química: confirmar que es grado L (C ≤ 0.03%);
- Ferrita en la soldadura: determinarla con ferritómetro o metalografía, verificando si está dentro del rango permitido por las condiciones técnicas;
- Ensayos no destructivos: los equipos criogénicos normalmente exigen RT/UT, ya que los defectos tipo grieta se propagan rápidamente a baja temperatura.
Puntos clave de soldadura
La soldadura de los equipos criogénicos suele ser el eslabón más débil:
- Usar consumibles de bajo carbono compatibles (ER308L / ER316L);
- Controlar el aporte térmico y la temperatura entre pasadas para evitar el engrosamiento del grano;
- Limpiar bien después de soldar y realizar decapado y pasivado (la cascarilla de óxido es el punto de inicio de la corrosión);
- Cuando sea necesario, realizar solubilización después de soldar (en aplicaciones exigentes), pero cuidando el control de la deformación.
Comparación con otros materiales criogénicos
- Acero al 9% de níquel: de uso específico para LNG (-162℃), con alto costo y exigencia de proceso, se emplea sobre todo en tanques de gran capacidad;
- Aleación de aluminio: buena tenacidad a baja temperatura y ligera, pero baja resistencia y deterioro notable de las propiedades de la junta soldada;
- Acero inoxidable austenítico: utilizable a -196℃ e incluso más bajo, resistente a la corrosión, fácil de mecanizar y soldable; es la opción habitual para equipos criogénicos pequeños y medianos y tuberías.
Errores comunes
- Sustituir 304L por 304 convencional: carbono alto, tenacidad de la soldadura y la zona afectada por el calor fuera de norma;
- Hacer solo tracción a temperatura ambiente y no impacto a baja temperatura; el núcleo de la aceptación de equipos criogénicos es precisamente el impacto;
- Ferrita en la soldadura demasiado alta (consumible incorrecto o protección deficiente), que se convierte en origen de grietas a baja temperatura;
- Ignorar la corrosión del medio: los sistemas de oxígeno líquido son extremadamente sensibles a la grasa (riesgo de seguridad); 316L es más seguro;
- Estructura de soporte y material de tubería no compatibles, con diferencias de dilatación térmica que generan tensiones adicionales.
Indíquenos el medio, la temperatura mínima, el volumen y la norma aplicable, y le daremos recomendaciones de grado y consumible según las condiciones criogénicas, además de poder proporcionar datos de ensayo de impacto a la temperatura correspondiente; en los equipos criogénicos, el costo está casi todo en la "verificación", no en el material en sí.
