Placas navales frente a placas para plataformas marinas: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Las planchas para buques y las planchas para plataformas marinas son dos categorías principales de acero estructural utilizadas en la construcción marítima y en la industria de hidrocarburos. Al elegir entre ellas, los ingenieros y los equipos de compras suelen sopesar factores como el coste frente a la durabilidad a largo plazo, la soldabilidad frente a la resistencia y la rapidez de fabricación frente a la seguridad en servicio. Los contextos de decisión típicos incluyen la construcción de cascos de buques (donde el coste y la conformabilidad son primordiales) frente a las superestructuras marinas y las estructuras tipo jacket/submarinas (donde la exposición prolongada a la corrosión, la tenacidad a bajas temperaturas y las inspecciones rigurosas son fundamentales).
La principal diferencia técnica radica en que las planchas para plataformas marinas se especifican y fabrican para cumplir con requisitos adicionales derivados de su uso —mayor resistencia, controles químicos más estrictos, ensayos no destructivos (END) más rigurosos y, en ocasiones, resistencia a la corrosión— en comparación con las planchas convencionales para buques. Estas diferencias influyen en la composición, el procesamiento termomecánico, la inspección y, en última instancia, el coste del ciclo de vida.
1. Normas y designaciones
Las principales normas y designaciones comunes utilizadas para estas dos familias incluyen:
- Internacional/Occidental:
- ASTM / ASME (por ejemplo, ASTM A131 para construcción naval; ASTM A572/A709/HPS y API 2H/2W para aceros estructurales y marinos)
- EN (p. ej., serie EN 10025 para aceros estructurales; normas NORSOK para alta mar)
- DNV-GL (reglas de clasificación para buques y plataformas marinas)
- Asiático:
- JIS (Normas Industriales Japonesas) — Aceros para construcción naval y estructuras
- GB (Normas Nacionales Chinas) — placas para barcos y plataformas marinas
Clasificación por tipo de acero: - Chapa naval: normalmente acero al carbono simple o aceros estructurales de baja aleación (acero dulce / HSLA según el grado). - Placas marinas: normalmente aceros HSLA producidos mediante procesamiento termomecánico controlado (TMCP), además de aceros aleados resistentes a la corrosión para ubicaciones específicas; pueden incluir grados microaleados (Nb, V, Ti) o aceros martensíticos/templados y revenidos de baja aleación para aplicaciones de alta resistencia.
2. Composición química y estrategia de aleación
La siguiente tabla resume la presencia y el papel típicos de los elementos de aleación clave en las planchas para buques frente a las planchas para plataformas marinas (se utilizan descriptores cualitativos porque las composiciones específicas dependen de la norma y el grado del producto).
| Elemento | Placa de barco (presencia típica) | Placa marina (presencia típica) |
|---|---|---|
| C (Carbono) | Baja-media (equilibrio entre resistencia y soldabilidad) | Bajo (se mantiene bajo para mejorar la resistencia y reducir el riesgo de agrietamiento) |
| Mn (manganeso) | Medio (desoxidación y fortalecimiento) | Medio-Alto (favorece la templabilidad y el control de la resistencia) |
| Si (silicio) | Traza–Medio (desoxidante) | Trazas – Medio |
| P (Fósforo) | Bajo nivel controlado (impureza) | Un control más estricto de los bajos |
| S (Azufre) | bajo controlado | Un control más estricto de los bajos |
| Cr (Cromo) | Generalmente bajo/ausente | A veces presente para corrosión/resistencia en grados específicos |
| Ni (níquel) | Generalmente bajo/ausente | Puede estar presente para mayor resistencia a bajas temperaturas. |
| Mo (molibdeno) | Raro o bajo | Puede estar presente para mejorar la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas. |
| V (Vanadio) | Extraño | Suele presentarse como microaleación para refinar el grano y reforzar |
| Nb (niobio) | Extraño | Microaleación común para el refinamiento del grano en grados TMCP |
| Ti (titanio) | Extraño | A veces se utiliza para la estabilización/control del grano |
| B (Boro) | Normalmente ausente | Puede utilizarse en cantidades mínimas para aumentar la templabilidad en grados específicos. |
| N (Nitrógeno) | Bajo | Controlado; se puede especificar nitrógeno para ciertas aleaciones de acero inoxidable/dúplex para uso marino. |
Resumen de la estrategia de aleación: - Las calidades de las planchas navales priorizan composiciones químicas simples que sean robustas, moldeables y económicas. Las composiciones químicas de las placas para plataformas marinas se optimizan para lograr una alta tenacidad, una templabilidad controlada y microestructuras de grano fino; por lo tanto, son comunes la microaleación (Nb, V, Ti) y un control más estricto de las impurezas. Se recurre a aleaciones adicionales (Ni, Mo, Cr) cuando se requiere resistencia a la corrosión o alta resistencia mecánica.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructuras típicas: - Plancha naval: La microestructura ferrita-perlita es común en las planchas navales convencionales producidas mediante laminación convencional y enfriamiento controlado. Cuando se requiere mayor resistencia, pueden presentarse estructuras bainíticas, aunque relativamente gruesas en comparación con los aceros TMCP. - Placas marinas: Los aceros marinos modernos producidos por TMCP presentan microestructuras refinadas de ferrita y bainita (ferrita acicular o bainita de grano fino) con precipitados de microaleación dispersos. Estas microestructuras proporcionan mejores combinaciones de resistencia y tenacidad, así como una mayor resistencia a la fractura frágil.
Efectos del tratamiento térmico y del procesamiento: - Normalización: Refina el tamaño del grano y puede mejorar la tenacidad para ambas familias, pero se especifica más comúnmente para aceros marinos de mayor calidad para cumplir con los requisitos de impacto. - Temple y revenido (T&R): Se utiliza principalmente para aplicaciones críticas de alta resistencia y espesor total donde se requiere una resistencia y tenacidad superiores; menos común para planchas navales básicas. - Procesamiento termomecánico controlado (TMCP): Ampliamente utilizado para placas marinas para producir una estructura de grano fino, mejorar la resistencia a la fluencia y mejorar la tenacidad a bajas temperaturas sin utilizar compuestos químicos con alto contenido de aleación. - Tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT): Puede ser necesario para aceros marinos gruesos o templados/revenidos; para planchas de barcos, el PWHT se especifica con menos frecuencia, excepto para conjuntos soldados específicos.
4. Propiedades mecánicas
Las diferencias en las propiedades mecánicas se deben a la composición y al procesamiento. La tabla siguiente ofrece comparaciones cualitativas (las especificaciones numéricas reales dependen del grado, el espesor y la norma).
| Propiedad | Placa de barco | Placa marina |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | Moderado | Moderado–Alto (dependiendo del grado) |
| Resistencia a la fluencia | Moderado | Medio-Alto (las calificaciones de HSLA suelen ser más altas) |
| Elongación (%) | Alta (buena ductilidad) | Bueno, pero puede ser inferior a los grados de calidad naval simples con un espesor equivalente debido a su mayor resistencia. |
| Tenacidad al impacto (Charpy) | Adecuado a temperatura ambiente | Mayor, especialmente para servicios críticos en alta mar y a bajas temperaturas. |
| Dureza | Más bajo | Variable; puede ser mayor para aceros marinos de mayor resistencia o templados y revenidos. |
¿Cuál es más fuerte/resistente/dúctil? - Las placas marinas a menudo se diseñan para lograr un mejor equilibrio entre resistencia y tenacidad, especialmente a bajas temperaturas; pueden proporcionar una mayor resistencia a la fluencia manteniendo una ductilidad aceptable mediante una microestructura fina y microaleación. - Las planchas navales priorizan la ductilidad y la conformabilidad, lo que puede traducirse en una mayor elongación a expensas de una menor resistencia a la fluencia.
5. Soldabilidad
La soldabilidad es un factor diferenciador clave y está influenciada por el contenido de carbono, la templabilidad y la microaleación.
Índices importantes de soldabilidad (utilizados para la evaluación cualitativa): - Carbono equivalente (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (fórmula de Sindo): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación cualitativa: - Un valor menor de $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ indica una soldabilidad más fácil y una menor susceptibilidad al agrietamiento en frío inducido por hidrógeno. - Las planchas navales suelen tener un menor contenido de aleación y un contenido moderado de carbono, lo que da como resultado una soldabilidad generalmente buena sin requisitos estrictos de precalentamiento o tratamiento térmico posterior a la soldadura para espesores comunes. Las placas para plataformas marinas, a pesar de su menor contenido de carbono en muchos grados, pueden presentar una mayor templabilidad debido a la presencia de Mn, Mo, Nb, V o B; esto aumenta el riesgo de fisuración en secciones gruesas y puede requerir un precalentamiento controlado, temperaturas entre pasadas controladas y, en algunos casos, un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Los aceros para plataformas marinas de mayor resistencia o templados y revenidos suelen tener procedimientos de soldadura y requisitos de cualificación más estrictos.
Consideraciones prácticas: El espesor, el diseño de la junta y el aporte de calor local son los factores que predominan en los problemas de soldabilidad en el mundo real. Los regímenes de ensayos no destructivos para estructuras marinas pueden ser más rigurosos (radiografía, ultrasonidos) y los procedimientos de soldadura deben estar cualificados según estándares más elevados.
6. Corrosión y protección de superficies
Los aceros no inoxidables (la mayoría de las placas estructurales de barcos y muchas plataformas marinas) dependen de recubrimientos y protección catódica: - Medidas típicas: preparación de la superficie, imprimaciones, pinturas de alto rendimiento, galvanizado en caliente (cuando sea factible) y sistemas de corriente impresa o ánodos de sacrificio para componentes sumergidos. - El servicio en alta mar a menudo exige recubrimientos avanzados (multicapa, resistentes a la abrasión y a los rayos UV) y un diseño de protección catódica; la durabilidad del recubrimiento y la inspección son factores críticos que influyen en los costos.
Cuando se utilicen aceros inoxidables o dúplex en alta mar, utilice PREN para evaluar la resistencia a la corrosión por picaduras: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - PREN no es aplicable a placas de acero al carbono simple ni a placas navales HSLA. - Los entornos marinos (zona de salpicaduras, interfaces de salpicaduras a sumergidas) pueden requerir materiales inoxidables o dúplex con un alto PREN, debido al riesgo de picaduras inducidas por cloruros.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Corte: Ambas familias de placas se cortan normalmente mediante oxicorte, plasma o láser; las placas marinas de mayor resistencia pueden requerir la consideración del aporte de calor de corte y la condición del borde para la soldadura posterior.
- Doblado/conformado: Las planchas navales, al ser más dúctiles, son más fáciles de doblar y conformar. Las planchas HSLA para uso marino mantienen una conformabilidad razonable, pero pueden requerir radios de curvatura mayores y mayor fuerza debido a su mayor límite elástico.
- Maquinabilidad: Los aceros microaleados de mayor resistencia pueden ser más difíciles de mecanizar y reducir la vida útil de la herramienta en comparación con los aceros navales de bajo carbono. Las estrategias de precalentamiento y fluido de corte pueden mitigar este problema.
- Acabado superficial: Las placas para plataformas marinas pueden recibir tratamientos adicionales de laminación o posteriores a la fabricación (por ejemplo, alivio de tensiones, decapado/pasivación para aceros inoxidables) para cumplir con los criterios de inspección.
8. Aplicaciones típicas
| Placa de barco (usos típicos) | Placa para plataformas marinas (usos típicos) |
|---|---|
| Chapas de casco, chapas de cubierta, refuerzos internos para buques mercantes y remolcadores | Elementos estructurales de la estructura, elementos estructurales de la superestructura, arriostramientos, cubiertas de plataformas para la industria petrolera y gasífera marina. |
| Mamparos, tapas de escotilla, elementos estructurales generales donde la conformabilidad y el coste son prioritarios. | Componentes estructurales submarinos, soportes de elevadores y piezas de la zona de salpicaduras que requieren mayor resistencia/control de corrosión |
| Superestructura no crítica donde la economía y la pintura son primordiales. | Uniones soldadas de alta integridad, soportes de carga y componentes para servicio en frío donde se requieren ensayos no destructivos y rendimiento a bajas temperaturas |
Justificación de la selección: - Elija chapa naval cuando la velocidad de fabricación, la capacidad de doblado/conformado y un menor coste del material sean primordiales. - Elija placas para uso marino cuando el entorno de servicio (temperaturas de enfriamiento, carga cíclica, corrosión agresiva) exija mayor resistencia, inspección más estricta y mayor vida útil.
9. Costo y disponibilidad
- Coste: Las planchas para buques suelen ser menos costosas por tonelada que las planchas especializadas para plataformas marinas debido a su composición química más simple, menor procesamiento y una base de proveedores más amplia. Las planchas para plataformas marinas (TMCP, microaleadas o aceros resistentes a la corrosión de alta especificación) tienen un precio superior debido a los controles más estrictos y al procesamiento adicional.
- Disponibilidad: Las planchas navales estándar están ampliamente disponibles en numerosos astilleros, en espesores y longitudes estándar. Las planchas para plataformas marinas que cumplen con normas específicas o que requieren garantías estrictas de perfil Z/baja resistencia a la corrosión pueden tener plazos de entrega más largos y un número limitado de proveedores, especialmente para grandes espesores o aleaciones especiales resistentes a la corrosión.
- Recomendaciones para la contratación: El contacto temprano con los proveedores y la especificación de parámetros críticos (requisitos de impacto, rangos de espesor, ensayos no destructivos) reducen el riesgo de entrega y el aumento de costes.
10. Resumen y recomendación
| Atributo | Placa de barco | Placa marina |
|---|---|---|
| Soldabilidad | En general bien; procedimientos más sencillos | Buen manejo de los controles; puede requerir precalentamiento/tratamiento térmico posterior a la soldadura para grados de mayor resistencia. |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Resistencia moderada, alta ductilidad | Optimizado para una mayor resistencia con una tenacidad mejorada a bajas temperaturas. |
| Costo | Más bajo | Superior (procesamiento, aleación, inspección) |
Elija la placa del barco si: El proyecto hace hincapié en el bajo coste de adquisición, las extensas operaciones de conformado/doblado y un entorno de servicio menos exigente (por ejemplo, zonas del casco no sumergidas con mantenimiento y revestimientos regulares). Los requisitos de inspección y trazabilidad son moderados y los grados estándar de construcción naval cumplen con los criterios de aptitud para el servicio.
Elija una placa para plataformas marinas si: - La aplicación requiere mayor tenacidad a bajas temperaturas, un control más estricto de las propiedades químicas y mecánicas, mejores propiedades a través del espesor o ensayos no destructivos y documentación más rigurosos. La estructura operará en entornos marinos adversos, estará sometida a cargas cíclicas o extremas, o tendrá largos intervalos de mantenimiento donde la reducción del riesgo del ciclo de vida justifica un mayor coste de materiales y fabricación.
Nota final: La selección debe basarse en una combinación de cargas de diseño, exposición ambiental, plan de fabricación, régimen de inspección y modelado de costos del ciclo de vida. Colabore con las sociedades de clasificación, los proveedores de materiales y los especialistas en soldadura desde las primeras etapas del proceso de diseño para confirmar el grado, el proceso de fabricación y los procedimientos de soldadura adecuados para aplicaciones de placas en buques o plataformas marinas.