Grúa de plataforma marina a -40°C: selección de acero y resiliencia
Cuando las grúas de plataforma marina operan en aguas extremadamente frías como el Ártico, el Mar del Norte o el Lejano Oriente ruso, la Temperatura Ambiente puede descender hasta -40 °C e incluso -50 °C. A estas temperaturas, el Acero al Carbono estándar experimenta una transición dúctil-frágil: su Resiliencia cae bruscamente y puede producirse una Fractura frágil sin previo aviso. La clave en la selección de materiales para baja temperatura reside en la energía de impacto Charpy con entalla en V (CVN) y la temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT). Los componentes estructurales críticos deben fabricarse con Acero naval de baja temperatura como EH36, FH36 o API 2W Gr.50.
En 1943, el buque Liberty S.S. Schenectady, amarrado silenciosamente en el astillero de Portland a una temperatura de -2 °C y sin soportar carga alguna de oleaje o viento, se partió en dos de forma repentina. La investigación determinó que la Fractura se originó en una Chapa de Acero cuya temperatura de transición dúctil-frágil era de aproximadamente +10 °C: a -2 °C, esa placa ya había pasado de un modo de Fractura dúctil a uno frágil. A partir de entonces, la Resiliencia a baja temperatura se convirtió en el Indicador obligatorio prioritario en todas las Normas de diseño de estructuras navales y marinas del mundo. Las grúas de plataforma marina operan en los entornos industriales más fríos del planeta, soportando no solo el frío extremo, sino la triple combinación de baja temperatura + carga dinámica por oleaje + tensiones residuales de Soldadura — por ello, sus requisitos de selección de materiales son un Grado superiores a los de los buques convencionales.
Los requisitos de Resiliencia para la selección de Acero de baja temperatura se basan principalmente en las Normas de tenacidad en frío de las sociedades de clasificación (DNV-OS-C101, ABS Part 2 Chapter 1), mientras que las combinaciones de Carga para los elementos estructurales de la grúa siguen lo dispuesto en la norma ISO 4301 / FEM 1.001.
Transición dúctil-frágil: por qué el acero se vuelve quebradizo en frío
El mecanismo de Fractura del Acero presenta una ventana de temperatura: por encima de cierto umbral, el material absorbe energía mediante Deformación plástica y la superficie de Fractura presenta aspecto fibroso (Fractura dúctil); por debajo de ese umbral, el movimiento de las dislocaciones en la red cristalina queda «congelado», el material no puede disipar energía mediante Deformación plástica y, una vez iniciada, la Grieta se propaga a velocidad casi sónica, con una superficie de Fractura de aspecto granular (Fractura frágil). Esa temperatura de transición se denomina temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT, por sus siglas en inglés) y constituye el Indicador más crítico para evaluar el comportamiento del Acero en frío.
En la práctica de la ingeniería, la DBTT se determina mediante el ensayo de impacto Charpy con entalla en V (ensayo CVN): una probeta normalizada de 10×10×55 mm (con una entalla en V de 2 mm de profundidad en el centro) se acondiciona a la temperatura objetivo durante al menos 5 minutos y se rompe de un solo golpe de péndulo, midiendo la energía de impacto absorbida (Unidad: Joule). Las distintas sociedades de clasificación y Normas de ingeniería marina establecen requisitos CVN diferentes según el elemento y la temperatura mínima de diseño: para elementos portantes principales (como cordones de Pluma, coronas de giro o estructuras en A), CVN ≥ 34 J en dirección longitudinal (mínimo individual ≥ 24 J); para elementos secundarios, ≥ 27 J. La temperatura de Ensayo se fija normalmente con un margen de 10 a 20 °C por debajo de la temperatura mínima de diseño (por ejemplo, si la temperatura mínima de diseño es -40 °C, el Ensayo se realiza a -50 °C o -60 °C).
Selección de aceros para baja temperatura: escalonamiento de EH36 a inoxidable
Los Aceros aptos para entornos criogénicos en grúas de plataforma marina se dividen en tres niveles. El primer nivel son los Aceros navales de baja temperatura: el EH36 (Ensayo de impacto a -40 °C, CVN ≥ 34 J) es el acero estructural marino más utilizado, con amplia aplicación en grúas de plataforma marina y grúas de cubierta del Mar del Norte y del Ártico. Sus características químicas incluyen un bajo Carbono equivalente Ceq ≤ 0,43 % (para garantizar una excelente Soldabilidad y reducir el riesgo de Grieta en frío), microaleación (adición de 0,02 %–0,05 % de Nb/V/Ti para refinar el grano y mejorar la Tenacidad en frío) y bajo contenido de azufre y fósforo (S ≤ 0,005 %, P ≤ 0,015 %, para reducir la fragilización localizada por inclusiones). El FH36 es un Grado superior de Acero naval de baja temperatura, con temperatura mínima de diseño de hasta -60 °C (CVN ≥ 34 J a -60 °C).
El segundo nivel son los Aceros marinos según Norma API: el API 2W Gr.50 y el API 2Y Gr.60 se fabrican conforme a las Especificaciones del American Petroleum Institute y se emplean ampliamente en proyectos del Golfo de México y de Brasil. La diferencia frente al EH36 radica en que el API 2W exige una estricción transversal (dirección Z) adicional (≥ 35 %, frente al ≥ 25 % del EH36), lo que lo hace más adecuado para Cartelas / Placas de Nudo sometidas a tracción en el espesor. El API 2Y, por su parte, se obtiene mediante Temple + Revenido (Q&T) y alcanza un Límite Elástico superior (≥ 414 MPa, frente a ≥ 355 MPa del EH36), lo que supone una ventaja significativa en la reducción del Peso Propio de la estructura.
El tercer nivel son los Aceros Inoxidables y Aceros al níquel de baja temperatura: para entornos extremos por debajo de -50 °C (como el Ártico o el proyecto Yamal LNG en Rusia), el Acero Inoxidable austenítico 316L (sin temperatura de transición dúctil-frágil, mantiene una excelente Tenacidad incluso a -196 °C) es el material de elección. Sin embargo, su Límite Elástico es de solo ≥ 170 MPa (muy inferior a los 355 MPa del EH36), por lo que se requieren secciones mayores para compensar la menor Resistencia, lo que incrementa el Peso de la estructura entre un 30 % y un 50 %, y su precio por Unidad es de 5 a 8 veces superior al del EH36. El Acero con 9 % de níquel (ASTM A553 Type I) es otra alternativa — Límite Elástico ≥ 585 MPa, CVN ≥ 34 J a -196 °C —, material clásico para tanques de GNL, aunque su aplicación en estructuras de grúa está limitada por la complejidad del proceso de Soldadura (requiere consumibles especiales a base de níquel y un estricto precalentamiento previo a la Soldadura, además de un Tratamiento Térmico Post-Soldadura).
| AceroDesignación | Temperatura mínima de diseño | Límite Elástico | CVNRequisito | Ámbito de aplicación |
|---|---|---|---|---|
| EH36 | -40°C | ≥355MPa | -40°C≥34J | Mar del Norte/Ingeniería marina árticagrúa |
| FH36 | -60°C | ≥355MPa | -60°C≥34J | Aguas extremadamente frías/LNGProyecto |
| API 2W Gr.50 | -40°C | ≥345MPa | -40°C≥34J ZHacia≥35% | Golfo de México/Cartela / Placa de Nudo |
| API 2Y Gr.60 | -40°C | ≥414MPa | -40°C≥34J Q&TTratamiento térmico | diseño ligeroAltoResistenciaDemanda |
| 316L Acero Inoxidable | -196°C | ≥170MPa | SinDBTT | Extremo-50°CPor debajo de/Grado alimentario |
| 9%NiAcero | -196°C | ≥585MPa | -196°C≥34J | LNGTanque de almacenamiento/Estructura criogénica |
Soldadura: el eslabón más débil en estructuras de acero para baja temperatura
Incluso el acero de baja temperatura de mayor calidad puede desarrollar microestructuras frágiles en el cordón de soldadura o en la zona afectada térmicamente (ZAT) si el proceso de soldadura no es el adecuado. Tres puntos críticos de control en la soldadura de aceros para baja temperatura:
①Temperatura de Precalentamiento — evita que el enfriamiento rápido del cordón genere estructuras templadas de martensita. Para acero EH36, la temperatura de precalentamiento suele ser ≥100°C (cuando el espesor de chapa >30mm); en la práctica se aplica Max(100°C, 0.4×espesor en mm), por ejemplo, para chapa de 50mm se toma Max(100,20)=100°C, y para chapa de 100mm, Max(100,40)=100°C. La zona de precalentamiento debe cubrir al menos 75mm a cada lado del cordón, calentando de forma uniforme con mantas eléctricas con controlador de temperatura. Queda prohibido el uso de sopletes para un "precalentamiento puntual" localizado, ya que los gradientes térmicos excesivos introducen tensiones térmicas. La temperatura entre pasadas se controla entre la temperatura de precalentamiento y 250°C; superar este límite provoca engrosamiento del grano y reduce igualmente la tenacidad.
②Selección de materiales de aporte — el metal de aporte en soldadura de aceros para baja temperatura debe presentar una temperatura de transición dúctil-frágil inferior a la del metal base (principio de "subresistencia": es preferible que la resistencia del cordón sea ligeramente inferior a la del metal base, pero garantizando que su tenacidad sea superior). Materiales de aporte recomendados para EH36: electrodo E5018-1 (electrodo básico tipo baja temperatura, CVN≥47J a -45°C), alambre y fundente para Soldadura por Arco Sumergido F7A8-EM12K, y alambre tubular E71T-1C-J. DNV exige un Ensayo de hidrógeno difusible (método de mercurio, H_DM≤5mL/100g) en cada lote de material de aporte antes de su entrada al almacén, para garantizar que el contenido de hidrógeno en el cordón no provoque grietas frías diferidas por hidrógeno.
③Tratamiento Térmico Post-Soldadura (PWHT) — para cordones de soldadura principales en EH36 con espesor >50mm (como las Conexiones soldadas en la base de la Pluma), se requiere generalmente un tratamiento térmico de alivio de tensiones post-soldadura: calentamiento a una velocidad ≤50°C/h hasta 580~620°C, mantenimiento de 2min/mm de espesor (mínimo 30min), seguido de enfriamiento en horno a ≤50°C/h hasta 300°C, y posterior enfriamiento al aire. El objetivo del PWHT no es mejorar la tenacidad a baja temperatura (de hecho, en chapas TMCP laminadas termomecánicamente, la tenacidad puede incluso disminuir tras el PWHT), sino eliminar las tensiones residuales de soldadura, que combinadas con el entorno de baja temperatura reducen el margen de seguridad frente a la Fractura frágil de la estructura.
| soldaduraParámetro | EH36 | FH36 | 316LAcero Inoxidable |
|---|---|---|---|
| Temperatura de Precalentamiento | ≥100°C (t>30mm) | ≥125°C (t>25mm) | ≤100°C (Prevención de precipitación de carburos) |
| temperatura entre pasadas | 125~250°C | 150~250°C | ≤175°C |
| soldaduraMétodo | SMAW/FCAW/SAW | SMAW/FCAW/SAW | GTAW/GMAW (Ar+2%O₂) |
| Emparejamiento de material de soldadura | E5018-1 Básico | E5518-1 Básico | ER316L (Tipo bajo en carbono) |
| Tratamiento Térmico Post-Soldadura | t>50mm PWHT | t>40mm PWHT | No recomendado(Antisensibilización) |
| NDTRequisito | UT 100%+MT 100% | UT 100%+MT 100%+RT 20% | PT 100% |
Extracción de probetas para ensayo de impacto: ¿dirección longitudinal o transversal?
La dirección y la posición de extracción de las probetas para el ensayo de impacto CVN influyen de forma directa y significativa en los resultados. Durante el proceso de laminado del acero, las inclusiones no metálicas se alargan en la dirección de laminación y se distribuyen en bandas: la energía de impacto obtenida en probetas extraídas en dirección longitudinal (dirección L, paralela al sentido de laminación) suele ser entre un 30% y un 50% superior a la de las probetas extraídas en dirección transversal (dirección T, perpendicular al sentido de laminación). Esto se debe a que, en la extracción transversal, la entalla en V corta directamente las bandas de inclusiones, y la grieta se propaga rápidamente a lo largo de la interfaz inclusión-matriz. Por lo tanto, en los componentes críticos de una grúa marina, la dirección de extracción de las probetas CVN debe ser transversal (orientación T-L o T-S), para garantizar que se cumplan los requisitos de tenacidad incluso en la dirección más desfavorable.
La posición de extracción es igualmente importante: en la superficie de la chapa de acero, el enfriamiento rápido durante el laminado produce granos más finos (mejor tenacidad), mientras que en el núcleo, el enfriamiento más lento genera granos más gruesos (peor tenacidad). Según la norma DNV-OS-B101, para componentes con espesor de chapa superior a 40 mm, deben extraerse dos grupos de probetas CVN, uno a 1/4 y otro a 1/2 del espesor (3 probetas paralelas por grupo), y ambos grupos deben cumplir los requisitos mínimos. Para chapas de espesor superior a 70 mm, es necesario añadir un grupo adicional de probetas entre 1/4 y 1/2 del espesor, ya que la segregación y la porosidad en el núcleo de las chapas de gran espesor son más severas y constituyen la zona de mayor riesgo de fractura frágil a baja temperatura.
Evaluación de aptitud para el servicio: idoneidad a baja temperatura de estructuras con defectos
Tras años de operación en entornos de frío extremo, las grúas marinas pueden presentar defectos de fabricación no detectados en la fase de producción (como grietas internas o falta de fusión) o defectos generados durante el servicio (como grietas por fatiga o picaduras por corrosión). Si se aplica estrictamente la norma de construcción, estos defectos podrían dar lugar a la no conformidad de la estructura, lo que implicaría la parada de la grúa y unos costes de mantenimiento elevados. En estos casos, puede realizarse una evaluación de aptitud para el servicio (FFS) conforme a las normas BS 7910 o API 579-1/ASME FFS-1. Mediante cálculos de mecánica de la fractura (como el Diagrama de Evaluación de Fallo, FAD), y considerando la reducción de la tenacidad a la fractura a baja temperatura, se evalúa si la estructura con defectos puede seguir operando de forma segura bajo la carga actual y dentro de la vida útil de diseño. Los parámetros de entrada clave para la evaluación FFS incluyen: las dimensiones y la posición exactas del defecto (obtenidas mediante ensayos no destructivos por ultrasonido phased array, PAUT, que proporcionan una imagen tridimensional), la tenacidad a la fractura del material a la temperatura mínima de diseño (K_IC o CTOD), y la tensión de trabajo máxima. Si la evaluación FFS es favorable, el defecto puede clasificarse como aceptable según la evaluación de criticidad de ingeniería (ECA), y la grúa puede seguir en servicio, aunque con una reducción del intervalo de inspección a una vez cada seis meses.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cuál es la diferencia entre EH36 y DH36? ¿Se puede sustituir EH36 por DH36?
R: La diferencia principal radica en la temperatura del ensayo de impacto CVN: DH36 debe cumplir CVN≥34J a -20°C, mientras que EH36 debe cumplirlo a -40°C. DH36 es adecuado para zonas marítimas con temperatura mínima de diseño ≥-10°C (como el Mar de China Meridional o el Sudeste Asiático), mientras que EH36 es adecuado para zonas con temperatura mínima de diseño ≥-30°C (como el Mar del Norte o el Mar de Bohai en invierno). No se debe sustituir EH36 por DH36 en zonas de aguas frías: aunque ocasionalmente el valor CVN de DH36 a -40°C pueda superar "casualmente" los 34J, la composición química y el proceso de fabricación de DH36 no están optimizados sistemáticamente para una tenacidad a temperaturas inferiores a -40°C (por ejemplo, la adición de Nb/V/Ti para el afinamiento de grano es insuficiente), y la dispersión de la tenacidad entre lotes es mucho mayor que en EH36.
P: ¿Es obligatorio realizar un tratamiento térmico post-soldadura (PWHT) en estructuras de grúa para baja temperatura? ¿Qué efecto tiene el PWHT sobre la tenacidad de las chapas de acero TMCP?
R: No todas las estructuras para baja temperatura requieren PWHT. La norma DNV-OS-C101 establece que el PWHT solo es obligatorio cuando el espesor de la chapa supera los siguientes umbrales: EH36 >50mm, FH36 >40mm. En el caso de chapas fabricadas mediante laminación termomecánica controlada (TMCP), los efectos de afinamiento de grano y endurecimiento por precipitación se pierden parcialmente durante el mantenimiento a alta temperatura del PWHT: el crecimiento del grano provoca una reducción simultánea de la resistencia y la tenacidad. Por lo tanto, si el diseño estructural permite evitar el umbral de PWHT reduciendo el espesor de la chapa (por ejemplo, utilizando acero de alta resistencia API 2Y Gr.60 en lugar de EH36), esta es la opción recomendada. Para estructuras que requieren necesariamente chapas de gran espesor y PWHT obligatorio (como la base de montaje de la corona de giro), es imprescindible realizar el ensayo CVN con probetas en estado PWHT durante el registro de calificación del procedimiento de soldadura (WPQR), para confirmar que la tenacidad sigue cumpliendo los requisitos.
P: ¿Es necesario seleccionar materiales especiales para los cilindros hidráulicos y los sellos de una grúa que opera a -40°C?
R: Efectivamente, es necesario. La tenacidad del cilindro y del vástago del pistón a baja temperatura es igualmente crítica: el acero C45E (1045) presenta una temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) de aproximadamente -10 °C, por lo que resulta extremadamente frágil a -40 °C. Bajo cargas de inclinación, el vástago del pistón puede sufrir fractura frágil. Para el cilindro de un cilindro hidráulico de servicio en baja temperatura se recomienda acero templado y revenido 27SiMn o 30CrMo (CVN ≥ 27 J a -40 °C). El vástago del pistón debe someterse a cromado duro (espesor 20~50 μm), prestando especial atención al tratamiento de deshidrogenación por horneado a 200 °C durante 4 horas, ya que el hidrógeno generado en el proceso de electrodeposición puede inducir fácilmente fracturas diferidas por hidrógeno en aceros para baja temperatura. En cuanto a los sellos, la NBR estándar (caucho de nitrilo) presenta una temperatura de fragilidad de aproximadamente -30 °C a -35 °C; por debajo de -40 °C debe sustituirse por FKM (caucho de flúor, con temperatura de transición vítrea Tg ≈ -20 °C, aunque puede utilizarse hasta -40 °C) o FFKM (caucho de perfluoroéter, Tg ≈ -30 °C, utilizable hasta -50 °C). Para el rascador (sello antipolvo) se recomienda poliuretano de baja temperatura (p. ej., Simrit PU95/500) en lugar de NBR estándar.
P: ¿Es necesario realizar un tratamiento térmico posterior a la soldadura para eliminar el hidrógeno (Post-Heating) en estructuras de baja temperatura? ¿En qué se diferencia del PWHT?
R: Ambos tratamientos persiguen objetivos distintos y no deben confundirse. El tratamiento de deshidrogenación posterior a la soldadura (DHT, por sus siglas en inglés) se aplica inmediatamente después de completar la soldadura (aprovechando que el cordón aún se encuentra por encima de la temperatura de precalentamiento), elevando la temperatura a 200~250 °C y manteniéndola durante 2~4 horas. Su finalidad es acelerar la salida del hidrógeno difusible del cordón de soldadura, evitando así el agrietamiento en frío diferido inducido por hidrógeno (comúnmente denominado "fractura diferida por fragilización por hidrógeno"). El DHT es un paso obligatorio en todas las soldaduras de chapas gruesas de acero para baja temperatura, independientemente de si se requiere PWHT. El PWHT, por su parte, se realiza después del DHT a 580~620 °C, con el objetivo de eliminar las tensiones residuales de la soldadura. El orden debe ser siempre primero DHT y luego PWHT: si se aplica directamente el PWHT, el hidrógeno difusible remanente en el cordón podría acumularse durante el calentamiento y provocar grietas inducidas por hidrógeno. Para soldaduras de chapa delgada donde no se exige PWHT, el DHT sigue siendo obligatorio (200 °C × 2 h); no debe omitirse por el hecho de que "al ser chapa delgada no se requiere PWHT".
Kelude Industrias Pesadas cuenta con una amplia experiencia en la selección de materiales para baja temperatura y en procesos de soldadura para grúas marinas, ofreciendo soporte técnico integral para proyectos en entornos de frío extremo: desde la selección de materiales y la cualificación de procedimientos de soldadura hasta la inspección y fabricación. Para más información, contacte con nuestro equipo de ingeniería.
