Grados de material de los tubos de acero

La elección del tipo de tubería de acero adecuado depende principalmente de tres factores: el entorno de servicio (corrosión y temperatura), las exigencias mecánicas (presión, impacto y carga) y los requisitos de adquisición/inspección (normas como API, ASTM o EN). En la mayoría de los oleoductos y gasoductos, las calidades al carbono (API 5L X-grades; ASTM A106/A53) ofrecen el mejor equilibrio coste-rendimiento; cuando la resistencia a la corrosión es crítica, los inoxidables austeníticos (series 304/316) son las opciones típicas; para el agua de mar con cloruros o secciones ligeras de alta resistencia, se prefieren los inoxidables dúplex y superdúplex (por ejemplo, 2205, 2507). El nivel de especificación de producto API (PSL1 frente a PSL2), el grado ASTM (A, B, C, TP304, etc.) y si la tubería es soldada o sin soldadura son las tres palancas prácticas que utiliza un ingeniero para cumplir un encargo de diseño.

¿Qué son las calidades y normas de los tubos de acero?

Los "grados" de los tubos de acero son etiquetas abreviadas que combinan una especificación normalizada (ASTM, API, EN/ISO), un identificador de grado (A, B, X42, X65, TP304, etc.) y, a veces, un proceso/tipo (sin soldadura / ERW / EFW). Los organismos de normalización definen los límites de composición química, las propiedades mecánicas exigidas (límite elástico y resistencia a la tracción mínimos), los regímenes de ensayo e inspección y, a veces, los procesos de fabricación aceptables.

Normas y organismos clave que hay que reconocer:

• API 5L - Muy utilizado para tuberías de petróleo y gas; utiliza números X (X42, X56, X70) y niveles de especificación de producto (PSL1, PSL2).

• ASTM / ASME (Ejemplos: A106, A53, A333, A252) - cubren tuberías a presión/sin soldadura/soldadas, servicio a baja temperatura, pilotaje y más.

• EN / ISO normas - ampliamente utilizadas en Europa y a escala internacional (por ejemplo, la serie EN 10216 para tubos de acero sin soldadura). (Véanse las normas oficiales en aprovisionamiento).

• Designación de los materiales - "TP304" o "TP316L" es como la ASTM etiqueta los tipos de tubos/tuberías inoxidables (TP = tubo/tubería).

Por qué son importantes las normas: determinan si una tubería cumplirá los requisitos contractuales de presión, temperatura y exposición ambiental. Los niveles de especificación más altos requieren pruebas adicionales y trazabilidad; en el caso de los sistemas críticos, esto no es negociable.

Cómo se crean los grados: composición, procesamiento y huella de fabricación

El grado de un tubo se deriva de la metalurgia y de la vía de producción:

• Química básica de las aleaciones (carbono, manganeso, silicio, cromo, níquel, molibdeno, nitrógeno, etc.) determina la resistencia a la corrosión, la templabilidad y la resistencia básica. Por ejemplo, si se añade cromo y níquel se obtienen inoxidables austeníticos (304, 316); si se añade molibdeno se mejora la resistencia a las picaduras (316/316L).

• Transformación termomecánica y tratamiento térmico controlar el tamaño del grano y la microestructura (normalizado, templado y revenido, recocido). En el caso de los linepipe, las calidades X modernas utilizan a menudo el procesamiento termomecánico controlado (TMCP) para aumentar la tenacidad sin aleaciones pesadas.

• Método de fabricación (sin costura, ERW, UOE, JCOE, EFW) afecta a las tensiones residuales, la anisotropía y los modos típicos de defecto: una costura ERW tiene modos de fallo diferentes a los de una tubería sin costura.

• Pruebas posteriores a la fabricación (tracción, dureza, Charpy V-notch, aplanamiento, hidrostático, PWHT en algunos casos) y exámenes no destructivos (UT, radiografía) establecen la conformidad.

Estos tres componentes (química, procesamiento y pruebas) son los que codifican las normas.

Tubos de acero al carbono y de baja aleación

Los aceros al carbono son los más comunes para tuberías, distribución de servicios públicos y aplicaciones estructurales debido a su coste y comportamiento mecánico predecible. A continuación se ofrece una comparación práctica de las calidades de tuberías de carbono/aleación baja especificadas con más frecuencia y dónde encajan.

Tabla 1 - Clases de tubos de carbono/aleación baja y usos típicos

Notas y puntos prácticos

• La norma ASTM A106 exige la fabricación sin soldadura; la A53 puede ser soldada o sin soldadura; se trata de una distinción práctica de adquisición que a menudo determina la selección del proveedor y el coste.

• Los grados API 5L X se fabrican de forma normalizada/termomecánica para conseguir una mayor resistencia manteniendo la tenacidad de la entalla; en el caso de conducciones largas, los grados X más altos (X56-X70) permiten paredes más delgadas y un menor tonelaje total de acero.

Aceros inoxidables dúplex y superdúplex

Las calidades inoxidables y dúplex se seleccionan cuando la corrosión química o por agua de mar, los requisitos sanitarios o las elevadas relaciones resistencia-peso son críticos.

Familias de inoxidables primarios utilizados para tuberías

• Austenítico (serie 300): TP304 / TP304L, TP316 / TP316L son las opciones más comunes. El 316/316L incluye molibdeno para mejorar la resistencia a las picaduras y es habitual en aplicaciones de agua de mar, químicas y alimentarias.

• Ferrítico / Martensítico: utilizados en aplicaciones especializadas de alta temperatura o magnéticas, menos comunes para tuberías generales.

• Dúplex (por ejemplo, 2205) y Superdúplex (por ejemplo, 2507): ofrecen aproximadamente el doble de resistencia que los austeníticos de la serie 300, mayor resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruros y buena resistencia a las picaduras cuando se alean con Mo; son los preferidos para el servicio de agua de mar, tuberías en alta mar y aplicaciones en las que las paredes más delgadas ahorran peso y coste.

Tabla 2 - Comparación simplificada de corrosión y mecánica (cualitativa)

Principales consecuencias del diseño

• El dúplex y el superdúplex pueden reducir drásticamente el grosor de la pared para la misma presión nominal debido a la mayor tensión admisible; sin embargo, requieren procedimientos de soldadura cualificados y un cuidadoso control del aporte de calor.

• Los austeníticos (304/316) son mucho más fáciles de fabricar y soldar, pero pueden presentar riesgo de SCC por cloruros en algunas condiciones marinas o salobres.

API 5L PSL1 vs PSL2 - qué significan los niveles de especificación en la práctica

API 5L utiliza Niveles del pliego de condiciones (PSL1 y PSL2). La diferencia no es meramente comercial: la PSL2 impone controles más estrictos y pruebas adicionales.

Diferencias prácticas

• PSL1Requisitos básicos de los tubos de conducción (propiedades químicas y mecánicas, pruebas estándar). Adecuado para muchos usos en tierra y de bajo riesgo.

• PSL2Límites químicos más estrictos, requisitos de propiedades mecánicas más rigurosos, pruebas de impacto Charpy obligatorias para muchos grados/tamaños, registros de fabricación y trazabilidad más detallados; necesario cuando se requiere control de la fractura, tenacidad a baja temperatura u operación de alta fiabilidad (por ejemplo, algunas tuberías submarinas y de alta presión).

Cuadro 3 - Algunas implicaciones contractuales

Cuándo exigir PSL2: el redactor de las especificaciones debe preguntarse si la tubería se enfrenta a bajas temperaturas, funcionamiento crítico por fractura, largos plazos de reparación (en alta mar) o requisitos reglamentarios; en caso afirmativo, es prudente utilizar PSL2.

Sin soldadura frente a soldado (ERW / EFW / UOE)

La ruta de fabricación influye en la disponibilidad, el coste y algunos aspectos del rendimiento mecánico.

• Sin fisurasestirado o extruido a partir de una palanquilla; históricamente preferido para servicio a alta temperatura y alta presión porque no hay ninguna costura que concentre los defectos. La norma ASTM A106 es exclusivamente sin soldadura.

• ERW (soldadura por resistencia eléctrica)La tubería ERW moderna, con una inspección adecuada, es robusta y se utiliza ampliamente.

• UOE / JCOE (formado y soldado)Tubos de gran diámetro: utilizados para tubos de gran diámetro y tramos largos; los procesos de UOE cuidadosamente controlados con END y pruebas hidrostáticas producen tubos de alta calidad.

Nota práctica sobre contratación pública: Muchas especificaciones de proyectos permitirán tanto la fabricación de tuberías sin soldadura como soldadas si el proceso de fabricación y los ensayos no destructivos satisfacen los requisitos de la norma, pero algunas normas (A106) exigen la fabricación sin soldadura.

Propiedades mecánicas, tenacidad y expectativas de ensayo

Más allá del límite elástico, la tenacidad a temperatura de servicio es importante. Pruebas y comprobaciones clave:

• Tracción/rendimiento: números de resistencia de referencia utilizados para el diseño.

• Ensayo de impacto Charpy V-notch: necesario para garantizar la tenacidad de la entalla a una temperatura determinada (esencial en climas fríos o cuando existe riesgo de fractura frágil). PSL2 suele requerir ensayos Charpy.

• Ensayos no destructivos (END): Las pruebas UT, RT, de partículas magnéticas y de líquidos penetrantes detectan defectos volumétricos y superficiales.

• Identificación positiva del material (IMP): a veces es necesario en aleaciones sensibles a la corrosión para confirmar la composición.

• Prueba hidrostática: prueba estándar de fugas/presión para validar la integridad.

Consejo de diseño: Establezca siempre la temperatura de aceptación Charpy por debajo de la temperatura de funcionamiento más fría prevista, con un margen de seguridad adecuado.

Equivalencias internacionales y cartografía rápida

Con frecuencia, los ingenieros tienen que traducir entre ASTM/API y EN/ISO o etiquetas específicas de un país. A continuación se muestra una tabla de correspondencia compacta (típica/aproximada; compruebe siempre las llamadas estándar exactas).

Cuadro 4 - Asignación práctica de grados (equivalencias comunes)

Advertencia: "Equivalente" no significa idéntico. La aceptación y la verificación deben realizarse revisando los límites químicos y mecánicos de ambas normas.

Matriz de selección - paso a paso y ejemplos prácticos

Un proceso sencillo para seleccionar un grado de tubería para un proyecto:

1. Definir las condiciones de servicio: química del fluido interno, presión, intervalo de temperatura, entorno externo (suelo, agua de mar), restricciones reglamentarias.

2. Identificar los requisitos mecánicos: presión de diseño, tensión admisible, factores de seguridad requeridos, limitaciones de peso.

3. Seleccionar familias candidatas: carbono (rentable), baja aleación (si se necesita mayor resistencia), inoxidable o dúplex (si la corrosión es crítica).

4. Decidir la ruta de fabricación: sin soldadura si es A106 o si se necesitan secciones más finas y resistencia a la fatiga; soldado para diámetros mayores o control de costes.

5. Especificar pruebas y PSL: elegir PSL2 si la tenacidad y el control de la fractura son importantes; requerir Charpy V-notch a una temperatura especificada.

6. Lengua de contratación: indique la norma exacta, el grado, el PSL (si es API 5L), la temperatura de ensayo de impacto, los requisitos de END y la trazabilidad de la documentación.

Dos breves ejemplos

• Transporte de agua en tierra - presión moderada, no corrosivo: API 5L Grado B o X42 (PSL1 si no es crítico).

• Elevador de agua de mar en alta mar - alto riesgo de corrosión + cloruro: Dúplex 2205 (o superdúplex) con estrictos controles de soldadura, PMI y tolerancia a la corrosión; exigen una trazabilidad similar a PSL2 si la especificación de la tubería.

Lenguaje de contratación y consejos sobre contratos

Una orden de compra de tuberías bien redactada evita costosas sustituciones. Incluir:

• Estándar (por ejemplo, API 5L, ASTM A106, EN 10216) y edición/año.

• Grado (X65, Grado B, TP316L, S32205, etc.).

• Método de fabricación permitido/prohibido (sin soldadura / ERW / UOE).

• Nivel PSL (para API 5L: PSL1 o PSL2).

• Pruebas y criterios de aceptación: Temperatura Charpy y energía de aceptación, presión hidrostática, requisitos UT/RT, PMI (si es inoxidable/dúplex), requisitos de revestimiento y recubrimiento.

• Trazabilidad y documentación: Informes de pruebas de laminación (MTR), números de colada, informes de END, cualificaciones del procedimiento de soldadura (PQR/WPS) cuando deban suministrarse carretes soldados.

• Sanciones / aceptación: criterios de rechazo y normas de reelaboración para las desviaciones.

Cuadros sinópticos y referencias rápidas

Tabla 5 - Referencia rápida: Qué grado elegir según la aplicación

Preguntas más frecuentes

1. P: ¿Cuál es la diferencia entre ASTM A53 y ASTM A106?
   A: El A106 se especifica para tuberías de acero al carbono sin soldadura para servicio a alta temperatura; el A53 puede soldarse o no y suele utilizarse para aplicaciones estructurales y a baja temperatura. En la práctica, muchos proveedores cotizan A106 para tubos sin soldadura y A53 para pedidos soldados/ERW (confirme el método de fabricación).

2. P: ¿Cuándo debo exigir API 5L PSL2 en lugar de PSL1?
   A: Utilice PSL2 cuando necesite control de la fractura, tenacidad a baja temperatura o mayor fiabilidad y trazabilidad (por ejemplo, en aplicaciones submarinas, servicios ácidos o gasoductos críticos). PSL2 exige pruebas adicionales y límites químicos más estrictos.

3. P: ¿Son intercambiables los inoxidables 316L y 304?
   A: No; el 316L contiene molibdeno para mejorar la resistencia a las picaduras y el menor contenido de carbono del 316L mejora la soldabilidad. Utilice 316L cuando se prevean picaduras por cloruros o exposición a productos químicos.

4. P: ¿Por qué utilizar inoxidables dúplex en lugar de 316 en agua de mar?
   A: El dúplex proporciona una mayor resistencia y una resistencia notablemente mejor al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruros y a las picaduras; puede reducir el grosor de la pared y el coste total para el servicio agresivo en agua de mar a pesar del mayor precio de la aleación.

5. P: ¿Siempre es mejor sin soldadura que soldado?
   A: No siempre. Los métodos modernos de soldadura (ERW, UOE) con ensayos no destructivos adecuados producen tubos fiables y rentables. Para determinados servicios a alta temperatura o sensibles a la fatiga, puede ser preferible el uso de tubos sin soldadura.

6. P: ¿Qué relación guardan los grados X (X56, X65, X70) con la resistencia?
   A: El número X se aproxima al límite elástico mínimo especificado en ksi (por ejemplo, X42 ≈ 42 ksi, X70 ≈ 70 ksi). Mayor X significa mayor límite elástico y potencial para paredes más delgadas. Consulte siempre la tabla API 5L para conocer los límites exactos y los requisitos de las pruebas de impacto.

7. P: ¿Qué pruebas debo exigir para las tuberías marinas?
   A: Muesca Charpy V a la temperatura designada, UT/RT completa de cordones y soldaduras, pruebas hidrostáticas, PMI para dúplex/austeníticos y cualificaciones de procedimientos de soldadura. Considere la posibilidad de controles de nivel PSL2 para mayor garantía.

8. P: ¿Puedo sustituir API 5L por ASTM A53?
   A: A veces los proveedores ofrecen A53 que cumple los límites de API 5L Grado B, pero la sustitución debe ser aprobada por el ingeniero porque API 5L incluye requisitos adicionales específicos de la industria y rangos de tamaño/grado. Confirme la equivalencia mecánica y de pruebas antes de la aceptación.

9. P: ¿Cuáles son los errores más comunes al especificar tuberías inoxidables?
   A: No especificar variantes L/bajo contenido en carbono para soldabilidad (p. ej., 316L), no exigir tolerancia a la corrosión o revestimientos protectores en entornos agresivos y omitir PMI para entregas críticas.

10. P: ¿Cómo debo gestionar la trazabilidad en la contratación pública?
    A: Exigir informes completos de pruebas de laminación (MTR) con números térmicos, documentación de la cadena de custodia, informes de END y un registro de cualquier tratamiento térmico o PWHT. Para pedidos PSL2/API o dúplex, exija una mayor trazabilidad.

Referencias y autoridad

Los puntos técnicos y las tablas anteriores resumen la práctica estándar que se encuentra en los documentos API y ASTM, los proveedores especializados en tuberías y las referencias metalúrgicas. Las afirmaciones sobre A106 frente a A53, las diferencias entre API 5L PSL, las ventajas de los dúplex y las descripciones generales de los grados son coherentes con las fuentes técnicas autorizadas y los proveedores. Las principales fuentes utilizadas en la preparación de este material incluyen las directrices API y ASTM, las páginas de especificaciones de los principales proveedores de tuberías y las guías técnicas de las asociaciones metalúrgicas. A lo largo del texto se citan fuentes representativas para las afirmaciones técnicas de mayor peso.

Lista de comprobación práctica para su próxima especificación de tuberías

• Norma + edición (por ejemplo, API 5L 46ª Ed. 20XX o ASTM A106/A53 con el año).

• Grado (explícito: X65 PSL2 / A106 B / TP316L etc.).

• Tipos de fabricación permitidos (sin soldadura / ERW / UOE) y cualquier proceso prohibido.

• Nivel PSL (para API 5L) o aceptación de tenacidad equivalente.

• Charpy V-notch: temperatura de ensayo y energía de aceptación.

• Requisitos de END (UT/RT, frecuencia de inspección).

• Requisito PMI para dúplex/316/2507.

• Revestimiento y anticorrosión.

• Informes de pruebas de fábrica y requisitos de trazabilidad.

• Entrega, puntos de retención de la inspección y cláusulas de penalización.

Resumen final

La selección de la calidad de los tubos de acero es un ejercicio de equilibrio entre metalurgia, método de fabricación y economía del proyecto. Utilice grados de carbono para trabajos estructurales y de presión en general, especifique austeníticos o dúplex cuando la corrosión o la reducción del grosor de pared sean decisivos, y defina siempre claramente la norma, el régimen de pruebas y la ruta de fabricación en los documentos de contratación. Para infraestructuras críticas y trabajos en alta mar, imponga requisitos más estrictos, como PSL2 o equivalente, e insista en una documentación completa.