Materiales de titanio en ingeniería offshore: calidades, diseño y fabricación

Por qué el titanio se adapta al servicio marítimo y offshore

La ingeniería costa afuera exige materiales que sobrevivan al contacto continuo con el agua de mar, a las cargas cíclicas de olas y corrientes y a largos intervalos entre inspecciones. El titanio responde a esa demanda mejor que la mayoría de los metales estructurales. Su densidad es de aproximadamente 4,51 g/cm3, aproximadamente el 57 por ciento de la del acero, mientras que su resistencia específica es la más alta entre los metales estructurales comunes. En comparación con el acero al carbono, el acero inoxidable, el cobre y el aluminio, el titanio combina baja densidad, alta resistencia y excelente resistencia a la corrosión en un solo material.

El titanio también resiste la erosión del agua de mar, no es-magnético, no se vuelve quebradizo a baja temperatura ambiente y puede moldearse, fundirse y soldarse mediante procesos de taller establecidos. Esas propiedades explican por qué los equipos de titanio aparecen ahora en-sistemas de producción de petróleo y gas en aguas profundas, sumergibles, estructuras submarinas y otras plataformas marinas donde el peso y la confiabilidad son decisivos.

Dónde se utilizan equipos de titanio en alta mar

Tuberías de agua de mar, elevadores y tuberías de intercambiadores de calor en plataformas marinas

Circuitos de desalinización y refrigeración que manejan agua que contiene cloro-de forma continua

Recipientes a presión y equipos de proceso para servicios marítimos de petróleo y gas.

Componentes estructurales, sujetadores y conectores submarinos.

Cascos de presión sumergibles, carcasas de sonar y recintos de instrumentos

Circuitos de lastre, diluvio y extinción de incendios en los que el agua de mar es el medio de trabajo

El titanio no está reservado para proyectos exóticos. Dondequiera que una aleación de acero o cobre necesite reemplazo frecuente, recubrimiento o protección catódica, una alternativa de titanio a menudo se amortiza al evitar el mantenimiento y paradas más cortas.

Cinco desafíos de ingeniería para planificar

El trabajo con titanio en alta mar tiene dificultades en cinco lugares: producción de materiales, diseño de productos, fabricación de productos, evaluación de aplicaciones a largo plazo-y la forma en que se juzga la selección de materiales.

Producción.El titanio se funde a unos 1668 grados Celsius, resiste fuertemente la deformación cuando está caliente y tiene una ventana de tratamiento térmico estrecha. Se requiere una gran capacidad de fusión al vacío, ya sea refundición por arco al vacío o un horno de solera fría por haz de electrones, junto con equipos de conformado pesados, como prensas de forja, laminadores y extrusoras, particularmente para productos grandes y de alto-rendimiento. La inversión unitaria en la producción de titanio es muy alta y la utilización del equipo es sólo una fracción de la que se logra con acero de especificaciones comparables, lo que es la causa fundamental del mayor costo por tonelada.

Diseño.El titanio ofrece una alta resistencia a la flexión y un coeficiente de resistencia a la soldadura superior a 0,9, pero su módulo de elasticidad, conductividad térmica y coeficiente de amortiguación son bajos. La corrosión por grietas, la corrosión del acoplamiento galvánico y la fragilización por hidrógeno pueden aparecer bajo ciertas condiciones. Por lo tanto, se recomiendan códigos de diseño y especificaciones técnicas específicos para el factor de seguridad, el margen de corrosión, la protección contra incendios, la forma estructural y los detalles de soldadura, y los servicios expuestos a vibraciones necesitan medidas antivibración.

Fabricación.El módulo bajo significa una recuperación elástica pronunciada en el conformado en frío, la baja conductividad térmica concentra el calor en el corte o la soldadura y la superficie se desgasta y raya fácilmente. Los procedimientos de conformado, tratamiento térmico y mecanizado deben desarrollarse y calificarse para el titanio en lugar de copiarse de la práctica del acero, lo que requiere tiempo y disciplina.

Evaluación de aplicaciones.Dado que los equipos de titanio se comportan como un activo semi-permanente, su ciclo de evaluación es muy largo. Una generación de ingenieros rara vez sigue a una sola unidad desde la puesta en servicio hasta el retiro, por lo que la retroalimentación de campo completa y objetiva se acumula lentamente.

Mentalidad de selección.El titanio sigue siendo entre cinco y diez veces más caro que el acero para cascos y, con presupuestos de capital limitados, una inversión única-es difícil de justificar basándose únicamente en el coste inicial. La ventaja técnica y económica del titanio se materializa durante toda la vida útil del equipo, a través del beneficio a largo plazo-en lugar del precio de compra.

Selección de grado para servicio marítimo

La elección del grado sigue en primer lugar la resistencia a la corrosión y en segundo lugar el requisito de resistencia. La siguiente tabla resume los grados especificados con mayor frecuencia para agua de mar y servicio de procesos.

Las placas y láminas se suministran comúnmente según ASTM B265 y los tubos según ASTM B338, siendo GB/T 3621 y GB/T 3624 las especificaciones chinas correspondientes para placas y tubos de titanio. Los compradores deben confirmar que el grado, la condición y la ruta de inspección solicitados coinciden con el estándar invocado en la orden de compra.

Costo del ciclo de vida-y decisión de selección

Un sistema de agua de mar de titanio suele tener un precio de compra más alto que la alternativa de acero al carbono pintado o de cobre{0}níquel, pero elimina gastos recurrentes: no es necesario volver a pintar, hay muchos menos reemplazos, menos mano de obra de mantenimiento, menos tiempo de inactividad de la producción y, en muchos casos, paredes más delgadas y estructuras de soporte más livianas. Evaluar las dos opciones durante el mismo período de servicio en lugar de durante la primera factura es lo que hace que la comparación sea significativa. En proyectos extraterritoriales donde el acceso en sí es costoso, la reducción de la intervención suele ser el mayor ahorro individual.

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué grado de titanio es más común para las tuberías de agua de mar en alta mar?
El titanio comercialmente puro de grado 2 es el punto de partida habitual porque combina una buena resistencia a la corrosión del agua de mar con buena conformabilidad y soldabilidad, mientras que el grado 12 se selecciona cuando la salmuera es más agresiva o la temperatura es más alta.

P: ¿Es el titanio adecuado para el servicio en aguas profundas-a baja temperatura?
Sí. El titanio no muestra fragilidad en frío como algunos aceros ferríticos, y ciertas aleaciones conservan buena ductilidad y tenacidad a medida que baja la temperatura, razón por la cual el titanio se utiliza para cascos sumergibles y contenedores criogénicos.

P: ¿Por qué los equipos de titanio son más caros que los de acero?
La ruta de fusión y formación requiere mucho más capital, la ventana de tratamiento térmico es estrecha y el rendimiento por unidad de equipo es mucho menor, por lo que el costo por tonelada se mantiene alto a pesar de que el material en sí es abundante.

P: ¿Se puede soldar titanio en un patio de fabricación?
Se puede, pero el metal fundido y caliente debe protegerse del aire, la humedad y la contaminación del hierro, porque el oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno y el hierro de la superficie-fragbran la unión y reducen su resistencia a la corrosión.

P: ¿El titanio se corroe en el agua de mar?
La corrosión general es muy baja y la película pasiva se repara sola en agua de mar aireada, pero la corrosión por grietas, el acoplamiento galvánico con metales menos nobles y la fragilización por hidrógeno aún pueden ocurrir en condiciones específicas, por lo que los detalles del diseño son importantes.

P: ¿Cómo debería justificarse financieramente un proyecto offshore de titanio?
Compare el costo total-de la vida útil prevista, incluidos los costos de mantenimiento, reemplazo, tiempo de inactividad y acceso, en lugar de comparar el precio del material por tonelada en el punto de compra.