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La Metalurgia Ayuda o Perjudica las Conexiones para Tubing

La metalurgia ayuda o perjudica las conexiones para TubingDurante más de cuarenta años, Parker lidera el desarrollo del proceso químico de endurecimiento para férulas diseñadas para sujetar y sellar tubos de acero inoxidable, este proceso se llama Suparcase. Este artículo revisa la importancia de la metalurgia y cómo Parker ha utilizado la tecnología Suparcase. Las conexiones de tubo de compresión de alta calidad equilibran la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión. El proceso de endurecimiento de férulas Suparcase de Parker no requiere las altas temperaturas y un proceso de larga duración como en los procedimientos de endurecimiento convencionales que reducen la resistencia a la corrosión del acero inoxidable.

Las conexiones de compresión de tubo de acero inoxidable facilitan la instalación y el mantenimiento de instrumentos de medición y control los cuales son utilizados en procesos químicos, plantas petroquímicas y muchos otros entornos industriales. Sellan una amplia gama de líquidos y productos químicos agresivos y resisten la corrosión interna y externa. Las conexiones sujetan y sellan comprimiendo la punta de una férula en el diámetro exterior del tubo. Las conexiones de compresión de alta calidad mantienen la presión interna sin fugas ni fallas hasta que la tubería se fractura. Los usuarios pueden desmontarlos y reensamblarlos repetidamente sin pérdida de integridad en el sello.

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En la actualidad conexiones de tubo de compresión están disponibles con muchos proveedores de tecnología de sistemas de fluidos y las conexiones tienden a tener el mismo aspecto, aunque pueden variar ligeramente en detalles de diseño y procesos de fabricación, pero las apariencias engañan.

La férula quizás el componente más crítico en las conexiones de tubo de compresión parece bastante simple, sin embargo, contiene alta ingeniería y para funcionar correctamente requiere considerable experiencia en diseño, metalurgia y producción. No todos los productos en el mercado cumplen con estos estrictos requisitos, por ejemplo, la férula debe deformarse con precisión elásticamente y plásticamente durante el ensamble del conector para sujetar y sellar apropiadamente el tubing. Su borde frontal debe ser más duro que el tubo para sujetar y sellar los rasguños y defectos superficiales, pero si toda la férula es demasiado dura, es posible que no se deforme correctamente. Por lo tanto, solo el borde de agarre de la férula se endurece, mientras que el resto tiene propiedades mecánicas diferentes y estrechamente controladas. Además, el proceso de endurecimiento no debe comprometer la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Por último, los procesos de producción deben fabricar de forma consistente férulas libres de defectos que tengan tolerancias cerradas y mantengan las especificaciones metalúrgicas.

Evolución en diseño: una férula para dominar a todos

Este artículo se centra en las conexiones de compresión con una sola férula, pero muchos de los principios también se aplican a los racores de compresión con dos férulas. Las férulas se maquinaron originalmente a partir de barras de acero inoxidable estiradas en frío. La deformación en frío endurece el metal y transmite resistencia a la férula. Pero el borde delantero de la férula con frecuencia todavía no era lo suficientemente duro para poder sellar con defectos en la superficie del tubo; como arañazos, costuras de soldadura, ovalidad y dureza.

Una solución fue recubrir las férulas con un metal blando (plata por ejemplo) para un mejor sellado cuando se manejan gases a alta presión. Esta mejora aumenta la resistencia a las presiones de impulso, a los cambios de temperatura y a la vibración. Muchos sellos de ultra alto vacío y de alta presión deforman los bordes duros en juntas de metal blando. La deformación del componente blando con uno duro proporciona un contacto mar cerrado metal con metal sobre las superficies de contacto y supera las irregularidades de la superficie. (Una buena fuente sobre información detallada es Industrial Sealing Technology, H. Hugo Buchter, John Wiley and Sons, 1979). Fabricantes de conexiones de tubing aplicaron este concepto mediante férulas endurecidas lo que aumenta sustancialmente la dureza de la superficie y permite atravesar defectos superficiales y compense las variaciones del tubing.

El equipo convencional de nitruración con gas endurece la superficie interna a una profundidad de aproximadamente 0.004 in. Durante el ensamble el borde delantero de la férula muerde en el tubo. Si se desarma, la férula permanece firmemente sujeta a la tubería lo que permite nuevos reensambles con una integridad de sellado consistente. El conector permite presiones internas, presiones de impulso, cambios de temperatura y vibraciones hasta que el tubo se fracture o falle por fatiga. Sin embargo, la nitruración de gas (así como la carburación y carbonitruración) reduce sustancialmente la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Los procesos de refinación permiten a los fabricantes endurecer solo una banda de aproximadamente 0.050 pulgadas desde la punta de la férula, a veces denominada férula como "nitrurado limitado". Esto reduce la probabilidad de corrosión, ya que la banda nitrurada está enterrada en la superficie de la tubería. Pero aún existe un posible problema de corrosión debido a un endurecimiento inadecuado o defectos superficiales ya que los productos químicos entran en contacto con la banda. Además, Las conexiones sin instalar almacenados en ambientes corrosivos, como el aire salado, a veces oxidan la banda nitrurada.

Proceso de endurecimiento

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La nitruración y la cementación convencionales requieren altas temperaturas para que los componentes de endurecimiento, nitrógeno y carbono, penetren en la capa pasiva de óxido que hace que el acero inoxidable sea resistente a la corrosión. Las altas temperaturas permiten que el cromo, un elemento de aleación anticorrosión, se difunda a través del metal y forme nitruros y carburos químicamente estables. Estos compuestos dan a la capa superficial la mayor parte de su dureza, pero en esta forma estructura química, el cromo ya no resiste la corrosión, y la capa nitrurada o cementada se corroe en muchos entornos como el agua de mar e incluso el aire húmedo.

Además, la nitruración y la cementación pueden "sensibilizar" el acero inoxidable austenítico expuesto a altas temperaturas durante un tiempo prolongado. El carbono, que tiene baja solubilidad en acero inoxidable se precipita en forma de carburos de cromo, reduciendo las regiones cercanas a los límites minimos de grano de cromo necesarios para la resistencia a la corrosión. Este proceso se conoce como sensibilización.

Parker desarrollo un nuevo proceso de endurecimiento introducido a finales de la década de 1980 el cual no disminuye la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Recientemente algunos otros fabricantes de conexiones han introducido procesos de endurecimiento de férulas con ventajas similares.

Estos nuevos procesos no requieren altas temperaturas y duraciones largas que permitan la difusión de cromo. Esto mantiene el cromo en una solución sólida como un elemento de aleación resistente a la corrosión. La capa endurecida es continua, libre de defectos y vacíos ya que el proceso tiende a rellenar inclusiones superficiales y reducir sustancialmente los efectos de corrosión del grano final.

Los nuevos procesos tampoco afectan la mezcla de metal. No hay sensibilización o cambio en la resistencia mecánica debajo de la capa endurecida. La capa dúctil se deforma con la férula durante el montaje sin agrietarse ni astillarse.

En estos procesos, el carbono sobresatura la capa endurecida. Los átomos de carbono ocupan los sitios disponibles en la red cubica cristalina en la cara del acero inoxidable austenítico, fortaleciendo la capa endurecida. La estructura dura red de cristal necesita expandirse para acomodar los átomos de carbono, pero está restringida por el sustrato no endurecido. Como consecuencia, el alto esfuerzo de compresión mejora aún más la dureza. El estrés de compresión tiene los beneficios adicionales de aumentar sustancialmente la fatiga de una férula y la resistencia al estrés y la corrosión.

En términos generales, el proceso elimina la capa pasiva de óxido de la superficie del acero, permitiendo que los átomos de carbono se difundan directamente en la red metálica sin atravesar la barrera pasiva. Los átomos de carbono se difunden a temperaturas más bajas que otros elementos de aleación, evitando así los problemas causados por la formación de carburos y nitruros.

Efecto mecánico

Un equilibrio de propiedades metalúrgicas es crítico para la acción mecánica de una férula durante el ensamble del conector. Por ejemplo, el borde frontal del conector CPI de Parker de férula única corta hacia abajo en el tubo, mientras que el cuerpo forma un arco y retiene el tubo hacia dentro del conector. El agarre del borde delantero evita que se rompa bajo presión.

La férula también debe funcionar bien en los rangos de tolerancia del diámetro de la tubería, típicamente ± 0.005 in., y soportar defectos superficiales tales como arañazos que pueden tener varias milésimas de pulgada de profundidad. La forma de arco convierte la férula en una especie de resorte, lo que le permite controlar la tención contra la tubería y el ángulo de reposo adecuado para sellar a pesar de la vibración, choque mecánico y expansión térmica. La parte posterior de la férula también sujeta sin apretar la tubería amortiguando las vibraciones ya que de otro modo se transmitirían a la parte del sellado.

Las propiedades mecánicas como el limite elástico y la dureza deben controlarse con precisión para llevar a cabo esta acción. Una férula extremadamente dura será demasiado rígida durante el ensamble y no se inclinará ni sujetará adecuadamente la tubería. Pero si es demasiado suave, el material base no soportara la superficie endurecida. El resultado es un efecto de cáscara de huevo: el borde frontal de agarre se derrumba durante el ensamble y no puede mantener el tubo bajo presión, esto también reduce el efecto de resorte de la férula en arco.

El trabajo en frío es la única manera de aumentar la dureza y la resistencia del acero inoxidable austenítico Tipo 316 después del recocido. Sin embargo, los rangos de endurecimiento cambian con la composición del acero y los porcentajes de los elementos pueden variar dentro de un rango permisible. El trabajo en frío también puede reducir la resistencia a la corrosión. Por lo tanto, los fabricantes deben controlar con precisión la composición para mantener las propiedades mecánicas consistentes y conservar la estructura austenítica, y los procesos de endurecimiento de no deben modificarlas de manera incontrolable.

Lubricación

Las piezas de acero inoxidable que se unen bajo alta presión tienen una fuerte tendencia a soldar en frío y unirse. Para formar conexiones de tubería de alta integridad y sin fugas las férulas solo deben deslizarse hacia adelante durante el montaje y no girar con la tuerca para evitar que se atasquen y garantizar únicamente el movimiento lineal de la férula, ingeniería debe controlar con precisión las condiciones de la superficie y la lubricación en las interfaces tuerca / férula y tuerca / cuerpo.

Todas las superficies de contacto deben ser lisas y sin defectos lo cual aumenta el atascamiento. Un recubrimiento de bisulfuro de molibdeno es el lubricante recomendado para muchos accesorios de compresión. El bisulfuro de molibdeno sólido se adhiere fácilmente a las superficies, se destaca por su lubricación y propiedades para evitar roscas barridas, y el sólido no derrama como un lubricante líquido o cera suave bajo presión extrema. El resultado es bajo torque de ensamble y un rendimiento uniforme, incluso con repetidos reensambles.

 

La metalurgia ayuda o perjudica las conexiones para Tubing. Jim Breeze, Instrumentation Products Division Artículo aportado por Jim Breeze, gerente de producto, Conexiones de Instrumentación y Válvulas de Proceso, Instrumentation Products Division Europe 

 

 

 

 

 

 

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