Selección de materiales para recipientes a presión en hidrometalurgia
La selección de materiales para recipientes a presión hidrometalúrgicos se decide con cuatro entradas en orden fijo: cloruro máximo en la superficie mojada, temperatura máxima del metal, ácido libre y potencial de oxidación. Para una solución pregnant de cobre (PLS) a 45 °C con 10 g/L de H2SO4 y menos de 200 mg/L de cloruro, el 316L con 3 mm de sobrespesor es la opción correcta por defecto. Con 420 mg/L de cloruro y 80 °C, esa misma elección perfora la zona afectada por el calor de una soldadura en 14–18 meses.
Puntos clave
- El cloruro y la temperatura fijan la familia de aleación; el ácido y los oxidantes solo desplazan el grado dentro de ella.
- Se diseña contra el cloruro y la temperatura máximos, nunca contra promedios anuales ni condiciones de placa.
- El sobrespesor es un número calculado: velocidad × vida de diseño × factor de seguridad; 3 mm es típico en austeníticos.
- El clad traslada la presión al acero al carbono y la corrosión a una lámina de aleación, con 40–60 % de ahorro en plancha.
- Subir de aleación cuesta 1.5–9× la plancha y agrega 4–20 semanas de plazo: ensaye antes de comprometerse.
Qué decide realmente la selección
No es una búsqueda de la aleación más resistente, sino una optimización económica bajo una restricción normativa: la aleación que sobrevive a la química durante la vida de diseño, el sobrespesor que cubre la diferencia entre su velocidad de corrosión y cero, la forma y el espesor que el código acepta a la temperatura de diseño, y la ruta de fabricación realmente comprable.
Sobrespesor de corrosión: espesor sacrificable sumado al calculado por código, que se consume durante la vida de diseño; después el recipiente se recalifica o se reemplaza. No es un factor de seguridad sobre la presión, es un presupuesto de pérdida de metal. PREN (%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N) es un índice de preselección, no un valor de diseño: dos aleaciones con el mismo PREN pueden diferir mucho en una rendija, y el índice nada dice de ácidos reductores ni de fisuración bajo tensión. Clad es una capa unida metalúrgicamente, de 3–5 mm típicos, sobre plancha de acero al carbono; no es pintura ni forro suelto, porque el enlace es frontera de presión y se verifica por ultrasonido.
Las cuatro entradas de servicio
Cloruro. Cuenta la concentración en la peor hora del año, no el promedio del laboratorio. En zonas áridas los estanques concentran por evaporación: 150 mg/L medidos en refinería pueden ser 600 mg/L en una línea que se seca parcialmente, y una cara de empaque con 200 mg/L en el seno puede estar a varios miles localmente.
Temperatura. La máxima no suele ser la del diagrama de flujo, sino la de una inyección de vapor, una excursión exotérmica o una parada con la pared expuesta a vapor. Los austeníticos pierden resistencia al picado sobre 60 °C, y la fisuración bajo tensión por cloruro es realista sobre 60–70 °C.
Ácido y oxidante. 10–50 g/L de H2SO4 da corrosión general moderada en 316L y leve en 904L; importa sobre todo acoplado al cloruro, porque juntos llevan la aleación de pasiva a activa. Fe3+ sobre 2 g/L a 70 °C es otro problema de materiales que 0.1 g/L, y esa diferencia no aparece en ninguna especificación de cloruro.
Tabla 1 — Envolvente indicativa en H2SO4 diluido aireado (valores de preselección)
| Aleación | UNS | PREN | Cl– 60 °C | Cl– 90 °C | T máx. | Costo plancha (316L=1) | Servicio típico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ac. carbono + caucho | — | n/a | Ilimitado si el revestimiento está íntegro | Ilimitado si está íntegro | 70 °C | 0.35 | Estanques PLS, canaletas |
| 316L | S31603 | 24–26 | ~200 mg/L | ~50 mg/L | 60 °C | 1.0 | Ácido diluido, internos de SX |
| 317L | S31703 | 29–30 | ~500 mg/L | ~150 mg/L | 70 °C | 1.3 | Margen sobre 316L |
| 904L | N08904 | 33–35 | ~1,000 mg/L | ~400 mg/L | 90 °C | 2.4 | PLS de cloruro alto |
| Dúplex 2205 | S32205 | 34–36 | ~1,000 mg/L | ~500 mg/L | 90 °C | 1.5 | Cloruro con erosión |
| Súper dúplex 2507 | S32750 | 40–43 | ~3,000 mg/L | ~1,500 mg/L | 110 °C | 2.8 | Flash con cloruro, agua de mar |
| Aleación 20 | N08020 | 29–33 | ~5,000 mg/L | ~2,000 mg/L | 100 °C | 3.5 | H2SO4 con cloruros, sin oxidante |
| Titanio Gr 2 | R50400 | n/a | Excelente en oxidante | Excelente | 200 °C | 5.0 | Cloruro oxidante, celdas EW |
| Titanio Gr 12 | R53400 | n/a | Bueno, más tolerante a reductor | Bueno | 250 °C | 5.6 | Internos de POX |
| Hastelloy C-276 | N10276 | 65–70 | Muy alto | Muy alto | 300 °C | 9.0 | Cloruro con ácido reductor |
Dos advertencias: el titanio es casi inmune en cloruro oxidante y se corroe rápido en ácido reductor sin película pasiva; y la aleación 20 es excelente en H2SO4 pero no es una aleación para cloruro caliente, porque su PREN no supera al del 317L.
Cómo se calcula el sobrespesor
Se calcula, no se negocia: velocidad medida en planta o en el licor real × vida de diseño × factor. Un factor de 1.5–2.0 es normal cuando la velocidad está bien caracterizada; si viene de un ensayo corto en solución sintética, debe ser mayor y acompañarse de una primera inspección a los 12–18 meses.
Tabla 2 — Sobrespesor por servicio e intervalo de inspección
| Servicio | Velocidad medida | Vida | Sobrespesor | 1.ª inspección |
|---|---|---|---|---|
| H2SO4 diluido, <100 mg/L Cl, 40–50 °C, 316L | 0.03–0.08 mm/año | 20 a | 3 mm | 24 meses |
| H2SO4 diluido, 300–500 mg/L Cl, 60–70 °C, 2205 | 0.01–0.03 mm/año | 20 a | 3 mm | 24 meses |
| PLS de cloruro alto, 904L | 0.02–0.05 mm/año | 15 a | 3 mm | 12 meses |
| Autoclave POX, clad Ti Gr 12 | <0.01 mm/año | 20 a | 0 (clad 3 mm) | 12 meses |
| Ac. carbono, pulpa neutra | 0.1–0.3 mm/año | 15 a | 6 mm | 12 meses |
Ejemplo: estanque 316L a 48 °C, 12 g/L H2SO4, 180 mg/L cloruro; cupones y ultrasonido dan 0.06 mm/año y ningún picado medible. 0.06 × 20 = 1.2 mm; con 1.8 da 2.2 mm, que se redondea a los 3 mm de práctica. Si el cloruro sube a 420 mg/L, la velocidad general no se mueve pero el riesgo de picado sube una categoría: la respuesta no es pasar a 5 mm, porque más espesor no detiene un pico que atraviesa 8 mm en un año, sino cambiar a 2205 y mantener 3 mm. Ese es el juicio central: el sobrespesor compra tiempo contra la pérdida general y casi nada contra la localizada.
Código, fabricación y modos de falla
El código no elige la aleación pero la restringe en cuatro puntos: la tensión admisible, que cae con la temperatura; las especificaciones permitidas, donde un equivalente idéntico puede exigir un code case; los requisitos de impacto, que difieren entre ASME VIII, EN 13445 y GB/T 150; y las reglas de clad, que arrastran la calificación del procedimiento y el volumen de ultrasonido. El mismo servicio en Div 1 y Div 2 difiere 15–25 % en espesor y 8–15 % en costo montado.
Los modos de falla más frecuentes se originan en la fabricación: picado en la zona afectada antes de 18 meses por sensibilización y color de temple; ataque en rendija bajo pads y empaques; erosión-corrosión sobre 3–4 m/s en pulpa ácida; fisuración bajo tensión en 316L aislado sobre 60 °C; ataque galvánico al acoplar inoxidable con acero al carbono; y en titanio, absorción de hidrógeno con fragilización sobre 150 ppm.
Tabla 3 — Penalidad de costo y plazo por aleación (316L = 1.0)
| Aleación | Plancha | Fabricación | Recipiente montado | Plazo (semanas) |
|---|---|---|---|---|
| Ac. carbono + caucho | 0.35 | 1.1 | 0.5 | 10–14 |
| 316L | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 12–16 |
| Dúplex 2205 | 1.5 | 1.4 | 1.45 | 16–22 |
| 904L | 2.4 | 1.9 | 2.2 | 20–28 |
| Titanio Gr 2 | 5.0 | 3.0 | 4.2 | 24–36 |
| Hastelloy C-276 | 9.0 | 4.0 | 7.0 | 30–40 |
Para una virola de 3.0 m de diámetro y 6 m, cada milímetro son unos 0.44 t: 20 mm de 316L a USD 4,000/t cuestan USD 36,000, y en 2205 a USD 6,000/t, USD 53,000. La diferencia montada ronda USD 25,000 sobre un recipiente de USD 150,000 instalado, contra una falla que costaría USD 400,000. Datos de campo: 0.04–0.06 mm/año para 316L en PLS de cloruro bajo y 0.015–0.02 mm/año para 2205 a 400 mg/L, ambos específicos del sitio y solo puntos de partida para el ensayo.
Preguntas frecuentes
¿El 316L sirve para el electrolito de SX-EW de cobre?
En general sí para el electrolito, bajo en cloruro y alto en ácido, si la temperatura queda bajo 55 °C y el cloruro bajo 200 mg/L. El riesgo está en rendijas, caras de empaque y espacios de vapor donde el cloruro se concentra, y en soldaduras sin limpiar el color de temple.
¿Qué cloruro obliga a dúplex 2205?
Como regla, 316L está cómodo bajo 200 mg/L a 60 °C y 2205 bajo 1,000 mg/L a la misma temperatura. Entre 200 y 500 mg/L la decisión depende de temperatura, oxidante y geometría de rendija, y debe resolverse con un ensayo de temperatura crítica de picado en el licor real.
Si la lista de aleaciones está abierta y los datos de cloruro son inciertos, envíe el análisis del licor y la envolvente de diseño; devolvemos aleación, sobrespesor e intervalo de inspección. Criterios de equipo en la base de conocimiento y definiciones en el glosario; para el caso del cobre, vea hidrometalurgia del cobre.