CABEZAL ESFÉRICO ABOMBADO DE ACERO AL CARBON CLAD ASTM A516 GR. 70 +ASTM B171 C71500 PARA EQUIPO
Descripción general – Cabezal elíptico clad como componente de cierre de recipiente a presión
Un cabezal elíptico clad es un cierre de extremo de recipiente a presión formado que consta de una placa base de acero al carbono o acero aleado con una capa de aleación resistente a la corrosión (CRA) unida metalúrgicamente a la superficie que da al proceso. La forma semielíptica 2:1 es la configuración de cabezal torisférico/elipsoidal más común en intercambiadores de calor de carcasa y tubos, recipientes a presión, reactores y tanques de almacenamiento, proporcionando un equilibrio óptimo entre la eficiencia de contención de presión y el costo de conformado.
La capa de clad proporciona resistencia a la corrosión al fluido de proceso, mientras que el material base proporciona resistencia estructural e integridad de presión. Este producto está diseñado y fabricado según ASME Sección VIII División 1 o División 2, y GB/T 25198 (Cabezales de Recipientes a Presión) para aplicaciones domésticas.
Definición Geométrica – Cabezal Elíptico 2:1
El cabezal semielíptico 2:1 tiene una profundidad interior (en el centro) igual a un cuarto del diámetro interior (DI) de la carcasa a la que está unido:
Eje mayor (D) = DI de la carcasa
Eje menor (h) = D/4 (profundidad interior desde la línea de tangencia hasta el centro de la corona)
Radio de transición (r) ≈ 0.17 × D (zona de transición entre la corona y el reborde recto)
Radio de corona (R) ≈ 0.90 × D (porción central esférica)
| DI de la carcasa (mm) | Profundidad interior h (mm) | Radio aprox. de transición (mm) | Radio aprox. de corona (mm) |
|---|---|---|---|
| 500 | 125 | 85 | 450 |
| 800 | 200 | 136 | 720 |
| 1000 | 250 | 170 | 900 |
| 1200 | 300 | 204 | 1080 |
| 1500 | 375 | 255 | 1350 |
| 2000 | 500 | 340 | 1800 |
| 2500 | 625 | 425 | 2250 |
| 3000 | 750 | 510 | 2700 |
Combinaciones de Material de Clad y Material Base
El cabezal elíptico clad se fabrica aplicando una capa de aleación resistente a la corrosión (CRA) a una placa base de acero al carbono o acero aleado mediante uno de los siguientes métodos:
Placa clad unida por explosión: La detonación de una carga explosiva controlada crea una unión metalúrgica entre la CRA y el material base (según ASME SA-263 / SA-264 / SA-265)
Placa clad laminada en caliente: La CRA y el material base se laminan en caliente juntos bajo presión para formar una unión metalúrgica
Revestimiento soldado (clad por tira): El material CRA se deposita mediante soldadura sobre la superficie de la placa base en tiras superpuestas (según ASME IX)
Opciones de Material Base
| Material Base | Especificación | Rango de Temperatura | Aplicación |
|---|---|---|---|
| Acero al carbono SA-516 Gr.70 | ASTM A516 | -20°C a +425°C | Servicio general de recipientes a presión |
| Acero al carbono SA-516 Gr.65 / 60 | ASTM A516 | -20°C a +425°C | Secciones de menor resistencia, más gruesas |
| Acero al carbono 16MnR / Q345R | GB 713 | -20°C a +400°C | Equivalente estándar doméstico |
| Acero de baja aleación SA-387 Gr.11 / 22 | ASTM A387 | -20°C a +540°C | Servicio a temperaturas elevadas (hidrocraqueo, hidrotreatment) |
| Acero de baja aleación SA-387 Gr.5 | ASTM A387 | -20°C a +550°C | Servicio de hidrógeno a alta temperatura |
Opciones de Material de Clad
| Material de Clad | Especificación | Límite de Temperatura | Tolerancia a Cloruros | Aplicación |
|---|---|---|---|---|
| Acero Inoxidable 304L | ASTM A240 | ≤ 400°C | ≤ 200ppm | Vapor limpio, grado alimenticio, ligeramente corrosivo |
| Acero Inoxidable 316L | ASTM A240 | ≤ 425°C | ≤ 200ppm | Ácidos orgánicos, soluciones salinas, ácidos débiles |
| Dúplex 2205 | ASTM A240 | ≤ 280°C | ≤ 300ppm a 80°C | Hidrocarburos que contienen cloruros, offshore |
| Titanio Gr.1 / Gr.2 | ASTM B265 | ≤ 230°C | Hasta 20,000ppm | Agua de mar, salmuera, servicio con alto contenido de cloruros |
| Aleación 625 (Inconel) | ASTM B443 | ≤ 540°C | Hasta 500ppm | Gas amargo, corrosivo a alta temperatura, unidades de amina |
| Aleación C276 (Hastelloy) | ASTM B575 | ≤ 400°C | Hasta 1,000ppm | Servicio severo con ácidos y cloruros |
Espesor del Clad (Capa de CRA)
Espesor de clad estándar: 2mm – 6mm (típicamente 3mm mínimo según ASME VIII-1 UW-13)
Tolerancia de espesor de clad: +0.5mm / -0.0mm (sin tolerancia inferior)
Relación de clad: Espesor de clad como porcentaje del espesor total (clad + base). Para servicio corrosivo, el espesor de clad se selecciona en función de la holgura de corrosión requerida.
Espesor Nominal Total
Espesor de base: 6mm – 80mm (seleccionado según ASME VIII-1 UG-27 / UG-32 para contención de presión)
Espesor total = Espesor de base + Espesor de clad (clad incluido en el cálculo de presión solo si está unido metalúrgicamente; según ASME VIII-1 Apéndice AA)
Espesor mínimo formado después del conformado: ≥ 90% del espesor nominal (según GB/T 25198 / ASME VIII-1 UG-79)
Proceso de Conformado – Conformado en Caliente o en Frío
Los cabezales elípticos clad se forman a partir de placa clad utilizando uno de los siguientes métodos. La selección del proceso depende del material de clad, el espesor total y la precisión requerida.
Conformado en Caliente
Temperatura de conformado: 900°C – 1,050°C (para base de acero al carbono + clad de acero inoxidable)
Protección del lado del clad: Atmósfera oxidante controlada para evitar escamas excesivas; purga con gas inerte o recubrimiento protector aplicado a la superficie del clad
Velocidad de calentamiento: ≤ 150°C/hora para evitar choque térmico y delaminación del clad
Temple / enfriamiento: Enfriamiento al aire o enfriamiento controlado en horno (para materiales base de aleación que requieren PWHT)
Conformado en Frío
Temperatura de conformado: Ambiente (20°C – 40°C)
Equipo de conformado: Plegadora o prensa de abombado con troqueles acoplados
Compensación de recuperación elástica: Dimensiones de troquel ajustadas para la recuperación elástica conformada en frío (típicamente 0.5% – 1.5% del radio de corona por diámetro de cabezal y límite elástico del material)
Deformación máxima en conformado en frío: Limitada para evitar la delaminación del clad y el agrietamiento del material base. Para base de acero al carbono con clad de acero inoxidable, deformación de conformado recomendada ≤ 15% (según procedimiento de conformado del fabricante).
Después del conformado en frío: Se requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) completo según ASME VIII-1 UCS-56 si el espesor del material base > 38mm o si el servicio requiere alivio de tensiones.
Tolerancias de Conformado (según ASME VIII-1 UG-81 / GB/T 25198)
| Parámetro | Tolerancia |
|---|---|
| Radio de corona (R) | ±1.5% del radio de diseño |
| Radio de transición (r) | ±5% del radio de diseño |
| Profundidad interior (h) | ±1.0% de la profundidad de diseño |
| Diámetro exterior (DE) en la línea de tangencia | ±0.5% del DI de la carcasa |
| Ovalización en la línea de tangencia | ≤ 1.0% del DI de la carcasa (para ajuste carcasa-cabezal) |
| Ondulación de la superficie | ≤ 2mm sobre 1m de luz (superficie de clad) |
Integridad del Clad – Calidad de la Unión y Pruebas
La unión metalúrgica entre el clad y el material base debe verificarse según ASME VIII-1 UW-13 y ASME SA-263 / SA-264 / SA-265.
Criterios de Integridad de la Unión
Resistencia al cizallamiento (unión clad-base): ≥ 140 MPa (para placa unida por explosión) según ASTM B898
Área de unión: ≥ 99% de la superficie total del clad (área de superficie del clad que está unida metalúrgicamente)
Tolerancia de área sin unir: Parches individuales sin unir ≤ 100mm²; área total sin unir ≤ 1% de la superficie (según ASME VIII-1)
Ensayos No Destructivos (END) de la Superficie de Clad
Ensayo por ultrasonidos (UT) – escaneo del 100% de la interfaz clad-base para defectos de unión y delaminación (según ASME V, Artículo 5)
Criterios de aceptación: Sin indicaciones lineales > 20mm; sin indicaciones agrupadas; sin indicación con amplitud ≥ 50% del nivel de referencia
Líquidos penetrantes (PT) – 100% de la superficie del clad y juntas soldadas para grietas superficiales (según ASME V, Artículo 6)
Aceptación: Sin grietas, sin porosidad mayor a 0.8mm, sin porosidad agrupada
Soldadura a la Carcasa – Diseño y Preparación de la Junta
El cabezal elíptico clad se suelda a la carcasa o brida en la línea de tangencia. La junta debe mantener tanto la integridad estructural como la resistencia a la corrosión en la interfaz del clad.
Preparación de la Junta (Según ASME VIII-1 UW-13)
Ángulo de bisel: 30° – 37.5° (V simple o V doble)
Holgura de raíz: 2mm – 4mm
Retroceso de la capa de clad: El material de clad se corta aproximadamente 2mm – 3mm del borde de la ranura de soldadura para permitir que la primera pasada (soldadura de material base) se deposite sin fundir el clad en la soldadura
Soldadura de transición: Se deposita una capa de recubrimiento de material de clad en la superficie de la ranura de soldadura (si es necesario) para lograr una superficie de soldadura resistente a la corrosión
Secuencia de Soldadura (Recomendada)
Soldadura de material base (acero al carbono / aleado) – depositada primero, 100% RT o UT según ASME VIII-1 UW-52
Soldadura del lado del clad (acero inoxidable o CRA) – depositada después de completar e inspeccionar la soldadura base
Revestimiento de clad en la superficie de soldadura – capa final de material CRA depositada para restaurar la resistencia a la corrosión en la junta
Inspección PT final de la superficie de clad y el revestimiento soldado – 100%
PWHT (Tratamiento Térmico Posterior a la Soldadura)
Requerido según ASME VIII-1 UCS-56 cuando:
Espesor del material base > 38mm
El servicio contiene H₂S húmedo (NACE MR0175 / ISO 15156)
El material base es acero de baja aleación (SA-387) que requiere templado
Temperatura de PWHT: 620°C ± 15°C para acero al carbono; 680°C – 760°C para acero de baja aleación (según tablas UCS-56)
Tiempo de mantenimiento: 1 hora por cada 25mm de espesor base; mínimo 1 hora
Velocidad de enfriamiento: ≤ 50°C/hora hasta 400°C (para acero al carbono) para evitar precipitación de carburos o agrietamiento por tensión
Protección del clad durante el PWHT: Purga con gas inerte (argón) aplicada a la superficie del clad para evitar la oxidación; escudos térmicos instalados si es necesario para minimizar la escamación de la superficie del clad
Inspección y Pruebas por Cabezal
Inspección Dimensional
Radio de corona: Medido con plantillas o escaneo 3D – tolerancia ±1.5%
Profundidad interior (h): Medida desde la línea de tangencia hasta el centro de la corona – tolerancia ±1.0%
Coincidencia del DI de la carcasa en la línea de tangencia: Ovalización ≤ 1.0% del DI de la carcasa
Longitud del reborde recto: Típicamente 25mm – 100mm (según diseño); tolerancia ±2mm
Espesor del clad: Medidor de espesor ultrasónico en el 10% del área de la superficie – espesor mínimo ≥ espesor nominal del clad – 0.5mm
Ensayos No Destructivos (END)
| Examen | Método | Alcance | Aceptación (según ASME VIII-1) |
|---|---|---|---|
| Integridad de la unión del clad | UT (ultrasónico) | 100% de la superficie del clad | Sin delaminación > 20mm; sin indicaciones agrupadas |
| Grietas en la superficie del clad | PT (líquidos penetrantes) | 100% de la superficie del clad + revestimiento soldado | Sin grietas; porosidad < 0.8mm |
| Laminaciones en el material base | UT (haz recto) | 100% del área base (plancha de cabezal) | Laminaciones ≤ 20mm² total por 100cm² |
| Soldadura (cabezal-carcasa si está pre-soldado) | RT o UT (onda de cizallamiento) | 100% del cordón de soldadura o punto según especificación | Según ASME VIII-1 UW-51 (completo) o UW-52 (punto) |
Prueba de Presión (cuando está soldado al vaso)
Prueba hidrostática: 1.3 × presión de diseño × (S a temp. de prueba / S a temp. de diseño) según ASME VIII-1 UG-99
Tiempo de mantenimiento: 30 minutos mínimo
Aceptación: Caída de presión cero; sin fugas visibles en las juntas soldadas o en la interfaz del clad
Superficie del clad después de la prueba hidrostática: Inspección visual de ampollas o delaminación – no se permiten ampollas visibles
Documentación por Envío
Certificados de prueba de material (EN 10204 3.1 o 3.2) – placa base y material de clad
Informe de fabricación de placa clad (unida por explosión o laminada en caliente) – incluyendo resultados de prueba de resistencia al cizallamiento de la unión
Informe de datos con sello U de ASME (si aplica)
Hoja de datos GB/T 25198 (si es estándar doméstico)
Informe de inspección dimensional (radio de corona, profundidad, espesor, ovalización)
Informes de END – escaneo de unión UT, escaneo de superficie PT, escaneo de soldadura RT/UT (si está soldado)
Registro de gráfico de PWHT (curva tiempo-temperatura) – si se realizó
Especificación del procedimiento de conformado (FPS) e informe de conformado (registros de conformado en caliente/frío)
Informe de medición de espesor de clad (registros del medidor de espesor ultrasónico)
Lista de Verificación de Selección – Cabezal Elíptico Clad
DI de la carcasa (diámetro interior) – determina el tamaño del cabezal
Presión de diseño – determina el espesor de base según ASME VIII-1 UG-32
Temperatura de diseño – determina el grado del material base y el requisito de PWHT
Corrosividad del fluido de proceso – determina el material de clad y el espesor mínimo de clad
Material de clad requerido – 304L / 316L / Dúplex / Ti / Aleación 625 / Aleación C276
Espesor de clad requerido – basado en la holgura de corrosión (típicamente 3mm mínimo)
Material base requerido – CS SA-516 Gr.70 / Q345R / SA-387 Gr.11/22
Preferencia de método de conformado – conformado en caliente o en frío
Requisito de PWHT – basado en el espesor base y el servicio
Requisito de END – según ASME VIII-1 o según especificación del proyecto (por ejemplo, escaneo de unión UT al 100%, PT al 100%)
Acoples de brida o boquilla – si ya están soldados al cabezal, proporcione detalles de la junta soldada
Especificación de pintura/recubrimiento – para la superficie exterior (base de acero al carbono) si no está aislada
Declaración de Limitación de Diseño – Cabezal Elíptico Clad
El cabezal elíptico clad no es aplicable para:
Servicios donde la temperatura de operación causa delaminación del clad debido a la desalineación de la expansión térmica (los materiales de clad y base tienen diferentes coeficientes de expansión térmica). Según ASME VIII-1 Apéndice AA, la tensión térmica entre el clad y la base debe incluirse en los cálculos de diseño.
Ciclos térmicos severos (> 1,000 ciclos/año) donde la unión clad-base puede fatigarse. El espesor del clad y la integridad de la unión deben reevaluarse según el análisis de fatiga según ASME VIII-2.
Temperaturas muy altas (> 540°C) donde el material de clad pierde resistencia a la corrosión o sufre transformaciones de fase. Se recomienda la aleación 625 o la aleación 800 para dicho servicio.
Servicios con ciclos de presión rápidos (servicio pulsante) – la unión del clad puede estar sujeta a tensión de despegue; consulte al fabricante para pruebas de unión adicionales.
