Falla en tubos 022Cr19Ni10N: mecanismo real de explosión
Falla hidráulica en tubos 022Cr19Ni10N: por qué ceden antes de los 73 MPa
El escenario es preciso: un lote de tubos sin costura de 022Cr19Ni10N para transporte de fluidos, dimensión Φ16 mm × 1 mm, estado solubilizado. Ensayo de presión a 32,5 MPa: aprobado sin incidencias en todos los tubos. Ensayo de explosión a 73,1 MPa: el primer tubo cedió a 60,5 MPa con rotura longitudinal desde la zona central. Un lote de verificación confirmó el patrón —presiones de rotura entre 54 y 66 MPa— ningún tubo alcanzó el mínimo exigido. Las normas GB/T 14976—2012 y la especificación técnica ZBG304LN—2013 exigen 73,1 MPa sin rotura ni filtración. Los tubos fallaron con un déficit de entre 7 y 19 MPa.
Lo relevante no es solo cuánto fallaron, sino por qué. La respuesta exige mirar más allá de la resistencia a tracción longitudinal, que era el único valor mecánico que todos los tubos cumplían en papel.
El ensayo de explosión como prueba de límite absoluto
La presión de 73,1 MPa no es arbitraria. Se obtiene igualando la tensión circunferencial en pared interior —calculada con la expresión de cilindro de pared gruesa— al valor mínimo de resistencia longitudinal que exige la norma para este grado: 550 MPa. Las ecuaciones son:
σexterior = P · 2d² / (D² − d²)
Para el tubo Φ16 × 1 mm (D = 16 mm, d = 14 mm) con P = 73,1 MPa los resultados son:
- Tensión circunferencial en pared interior: ≈ 550 MPa
- Tensión circunferencial en pared exterior: ≈ 477 MPa
Esos 550 MPa interiores coinciden exactamente con el límite de resistencia mínima del material. En ese escenario, el ensayo de explosión es una prueba sin ningún margen: si el material tuviera exactamente 550 MPa longitudinales —y no se considerara ningún factor de anisotropía ni defecto— el tubo apenas superaría la prueba. Cualquier perturbación —microestructural, dimensional o por defectos de laminación— precipita la rotura antes de tiempo.
La resistencia circunferencial: el valor que la norma no pide pero el ensayo evalúa
La normativa especifica resistencia a tracción longitudinal. No establece ningún valor mínimo para la dirección circunferencial. Sin embargo, es la resistencia circunferencial la que determina el resultado del ensayo de explosión. Los ensayos de tracción de los dos lotes revelan la diferencia crítica:
| Propiedad | Tubo 1 — fallido | Tubo 2 — referencia | Mínimo normativo |
|---|---|---|---|
| Rm longitudinal (MPa) | 553 | 598 | ≥ 550 |
| A longitudinal (%) | 58,0 | 54,5 | ≥ 40 |
| Rm circunferencial (MPa) | 455 | 562 | — (no especificado) |
| Δ Rm long. − circ. (MPa) | 98 | 36 | — |
| Tamaño de grano (grado) | 5,5 | 7,5 | ≥ 4,0 |
| Ti residual (% masa) | 0,10 | 0,03 | — (no limitado) |
El tubo de referencia también muestra una diferencia entre resistencia longitudinal y circunferencial —36 MPa—, algo inherente al proceso de laminación en frío. Pero esa diferencia es asumible. En el tubo fallido, la penalización circunferencial fue de 98 MPa, casi el triple. Ese tubo cumplía la norma en papel y fallaba el ensayo en la práctica.
La fórmula inversa como confirmación del mecanismo
Aplicando la ecuación de tensión circunferencial en sentido inverso, a partir del valor de Rm circunferencial medido en el tubo fallido, se puede estimar la presión de rotura teórica:
Protura = 455 × (256 − 196) / (256 + 196) = 455 × 60 / 452 ≈ 60,4 MPa
Esa coincidencia entre cálculo y ensayo convierte al modelo en predictivo. La variable determinante fue la resistencia circunferencial real —que nadie midió hasta después del fallo—, no la longitudinal, que cumplía la norma por 3 MPa.
Fisuras capilares en la pared interior: la línea de fractura
El examen macroscópico de la sección longitudinal del tubo fallido, tras decapado ácido con FeCl₃ en solución de HCl, reveló fisuras capilares distribuidas longitudinalmente en la pared interior, con profundidad medida de 0,03 mm. El tubo de referencia no presentó este tipo de defecto. A 100× en microscopio óptico, se identificó que esas fisuras nacen en la proximidad de cadenas de TiN orientadas en la misma dirección longitudinal.
En la práctica, este defecto no es visible a simple vista antes del ensayo. La decapación ácida lo hace evidente macroscópicamente. Una forma de detectarlo sin química es el ensayo de abocardado: el tubo fallido no alcanzó el 1,3× diámetro exterior exigido sin mostrar apertura de fisuras en la cara cónica interior —señal directa de insuficiente plasticidad transversal provocada por las fisuras capilares preexistentes—.
La clasificación de inclusiones de TiN en cadena fue BH2,5TiN para el tubo fallido (sistema grueso, nivel 2,5) frente a BT1,0TiN para el de referencia (sistema fino, nivel 1,0) según GB/T 10561—2023. Esa diferencia de clasificación fue directamente consecuente del mayor contenido de Ti residual en el acero base (0,10 % frente a 0,03 %).
El tamaño de grano austenítico como factor coadyuvante
La medición de tamaño de grano por el método de intersección lineal según GB/T 6394—2017 dio grado 5,5 para el tubo fallido y 7,5 para el de referencia. Ambos superan el mínimo normativo de ≥ 4,0. Sin embargo, grado 5,5 implica un grano apreciablemente más grueso y heterogéneo que grado 7,5.
La ley de Hall-Petch establece que la resistencia a fluencia crece con el inverso de la raíz cuadrada del diámetro de grano. En el 022Cr19Ni10N —austenítico monofásico en estado solubilizado, sin endurecimiento por precipitados— el tamaño de grano es uno de los principales mecanismos de control de resistencia disponibles. La diferencia de grado entre los dos tubos explica en parte los 45 MPa de diferencia en resistencia longitudinal. Pero el efecto más crítico del grano grueso no es el valor medio de resistencia: es la mayor heterogeneidad local que introduce, creando zonas del tubo localmente más débiles que marcan el umbral de rotura cuando se aplica tensión uniforme en el ensayo de explosión.
La cadena causal completa: del tocho al ensayo
El origen es el contenido de titanio residual en el tocho: 0,10 %. En el 022Cr19Ni10N —con N = 0,12 % como elemento de aleación— el titanio tiene alta afinidad por el nitrógeno y precipita como TiN durante la solidificación. Con mayor contenido de Ti, los precipitados son más numerosos y más susceptibles de segregar de forma heterogénea en las zonas interdendríticas. El proceso de laminación en frío posterior alineó esos clústeres en cadenas longitudinales BH2,5. Esas cadenas debilitaron la interfase metal–inclusión y generaron las fisuras capilares de 0,03 mm en la pared interior.
En el ensayo de explosión, la tensión circunferencial en pared interior alcanzó los 550 MPa calculados por diseño. La resistencia real de esa pared —degradada por las fisuras capilares— era de 455 MPa. La rotura comenzó en la superficie interior y propagó longitudinalmente por el plano de las fisuras, produciendo la apertura característica descrita en el ensayo.
El ensayo de abocardado aplicado como criba previa al ensayo de explosión habría detectado el defecto con menor coste. El control de Ti residual en la colada y la evaluación de inclusiones TiN en cadena en el tocho son las palancas preventivas que actúan antes de que el defecto se forme. En la práctica de fabricación de tubos de precisión inoxidables para aplicaciones de alta presión —como las que certifica SHUNFU Metal bajo API Q1 e ISO 9001—, el control del contenido residual de Ti es una variable de calificación de colada, no un parámetro de informe. Ese criterio marca la diferencia entre un lote que supera el ensayo con margen y uno que falla antes de alcanzar la presión de diseño.