Análisis detallado de los materiales y propiedades del tubo de aleación de precisión

Una consulta que solicita tubo de aleación de precisión ha descrito una reputación y no un requisito. Precisión es una palabra que cada molino utiliza y ninguna norma define. Lo que la norma define es una tolerancia, y una tolerancia es un número con un signo y una unidad adjuntos a una dimensión.

La diferencia no es académica, porque los dos números que importan en un tubo están escritos en diferentes monedas. En ASTM A269, la norma para tubos de acero inoxidable austenítico sin costura y soldados para servicio general, el diámetro exterior de un tubo entre 12,7 mm y 38,1 mm se mantiene en más o menos 0,005 pulgadas (0,13 mm), y la pared del mismo tubo se mantiene en más o menos 10 %. Una es una cifra absoluta y la otra es un porcentaje, y la segunda cambia con la pared que se pide.

En un tubo con una pared de 2,0 mm, el 10 % es más o menos 0,20 mm, lo que es 1,5 veces la tolerancia del diámetro exterior. En un tubo con una pared de 0,8 mm, el mismo 10 % es más o menos 0,08 mm, lo que es más estricto que la tolerancia del diámetro. La misma línea de la misma norma produce dos promesas diferentes, y el dibujo debe leerse en contra de la pared que realmente especifica.

Esta página expone lo que una norma de tubos realmente fija, cuáles de las tres dimensiones de los tubos se pueden fijar a la vez, cuál es la diferencia de coste entre una pared media y una pared mínima, y por qué el acabado superficial es una compra separada de la precisión dimensional.

ASTM A269 es una referencia útil porque es la norma que más se cita para tubos de instrumentación y de servicio general, y su tabla dimensional es lo suficientemente corta como para reproducirla en su totalidad. Los valores que figuran a continuación son las tolerancias para el diámetro exterior y la pared, y la norma se aplica a un espesor de pared nominal de 0,5 mm y superior.

Dos características de esa tabla deciden la mayor parte de lo que sigue. La tolerancia del diámetro aumenta en términos absolutos a medida que el tubo se hace más grande, lo cual es normal porque el proceso de trefilado y el manejo de una bobina más grande añaden variación. La tolerancia de la pared se mantiene en un 10 % en cuatro de las cinco bandas de tamaño, lo que significa que escala con la pared y no con el diámetro.

También hay un límite en la norma que las páginas del catálogo rara vez mencionan: se aplica a partir de 0,5 mm de pared nominal hacia arriba. Por debajo de esa cifra, el producto pertenece a una clase diferente, generalmente tubos capilares o hipodérmicos, y se pide según un documento diferente con reglas de inspección diferentes. Un comprador que solicita una pared de 0,3 mm según A269 ha pedido algo que la norma no cubre.

Un tubo redondo se describe mediante tres dimensiones, y solo dos de ellas son independientes. La pared es la mitad de la diferencia entre el diámetro exterior y el diámetro interior, por lo que dos de las tres fijan la tercera.

Un dibujo que pone una tolerancia en las tres ha puesto, por lo tanto, una tolerancia en una cantidad que ya está determinada, y las tres tolerancias generalmente se contradicen entre sí. Un tubo en el extremo superior de la tolerancia del diámetro exterior y en el extremo superior de la tolerancia de la pared tiene un diámetro interior por encima de su propio límite, y el inspector tiene que decidir contra cuáles de los tres números se compró realmente la pieza. Los molinos resuelven esto de la misma manera siempre: se cita el dibujo con una nota preguntando qué dos dimensiones rigen, y el pedido no se mueve hasta que se responde a la nota.

La elección de cuáles dos también decide el proceso. El trefilado sobre mandril controla la pared y el diámetro interior, porque el mandril establece el calibre y la matriz establece el exterior. El estirado, que trefila el tubo sin soporte interno, reduce el diámetro exterior y deja que la pared crezca, por lo que mantiene la dimensión exterior y deja que la pared siga. El rectificado sin centro corrige el diámetro exterior y la superficie, y no puede corregir una pared que ya está mal. Un dibujo que fija el diámetro interior y la pared ha elegido una ruta que cuesta más que un dibujo que fija el diámetro exterior y la pared, y la diferencia de precio es una diferencia de proceso.

La tolerancia de la pared en la tabla se aplica a una de dos definiciones, y la norma exige que el pedido de compra indique cuál. Un pedido de pared media acepta una pared que mide por debajo de lo nominal en algunos puntos, siempre que la media a lo largo de la longitud y la circunferencia se mantenga dentro de la tolerancia. Un pedido de pared mínima requiere que ninguna lectura caiga por debajo de la cifra nominal en absoluto.

La aritmética es simple y la consecuencia comercial no lo es. Tomemos una pared nominal de 2,0 mm con una tolerancia de más o menos 10 %.

Un pedido de pared mínima para una pared de 2,0 mm, por lo tanto, compra un tubo que promedia 2,22 mm y puede ser hasta un 11 % más pesado que la cifra nominal sugiere, antes de cualquier tolerancia por excentricidad. En un tubo de pared delgada, la masa es casi proporcional a la pared, por lo que el precio se mueve con ella. Un pedido de compra que escribe 2 mm de pared y se detiene ha dejado la elección al molino, y el molino cotizará la interpretación que utiliza menos metal.

La distinción también cambia la clasificación de presión. Un cálculo de rotura utiliza la pared mínima, por lo que un diseño que asumió 2,0 mm y recibió un tubo de pared media con un mínimo de 1,8 mm tiene una frontera de presión más delgada de lo que asumió el cálculo, aunque el tubo esté dentro de la norma.

La excentricidad es la variación de la pared alrededor de una sección transversal, y ninguna columna en una tabla dimensional la indica directamente. Lo que la tabla llama tolerancia de pared se aplica a la pared que se mide, y un tubo puede cumplir la tolerancia de pared en su promedio mientras lleva un calibre que está visiblemente descentrado. La consecuencia es una pared gruesa en un lado y delgada en el otro, con el promedio dentro de la banda.

La fuente de esa variación está aguas arriba de la matriz final. La excentricidad entra en la chapa o en el tocho, donde una diferencia de temperatura en la sección hace que el metal fluya de manera desigual, y cada trefilado posterior la reduce sin eliminarla. Un molino que cotiza una cifra de concentricidad está cotizando el resultado de su propio control de proceso y no una propiedad de la aleación, por lo que dos proveedores pueden enviar ambos según A269 y producir tubos que se comportan de manera diferente en un intercambiador de calor.

Las paredes delgadas empeoran el problema, y la norma lo reconoce. A269 permite que un tubo más delgado, cuya pared sea el 3 % del diámetro exterior o menos, exceda el rango normal de ovalidad en un factor de dos, siempre que el promedio de las lecturas máxima y mínima siga cumpliendo. En un tubo de 25,4 mm, la línea del 3 % cae a una pared de 0,76 mm, por lo que un tubo de pared de 0,7 mm está en la clase relajada y un tubo de pared de 1,0 mm no. Un dibujo que especifica una pared delgada y una figura de redondez sin notar ese límite ha especificado dos requisitos que la norma no reconcilia.

Para un intercambiador de calor, esto no es un problema cosmético. El rendimiento térmico depende de la pared, la clasificación de presión depende de la pared mínima, y la unión tubo-placa tubular depende de la pared en la posición de laminación. Un tubo que cumple la tolerancia de pared media y lleva su sección delgada en la costura de soldadura ha pasado la norma y aún puede fallar la unión.

Nada en una tolerancia dimensional restringe la superficie. A269 pide un tubo limpio y libre de escamas, y no fija un valor de rugosidad, por lo que dos tubos pueden mantener el mismo más o menos 0,13 mm en el diámetro exterior y diferir en un orden de magnitud en rugosidad.

Donde la superficie importa, el requisito llega a través de un documento diferente o de una línea en el dibujo. El servicio sanitario se pide según ASTM A270, que añade un requisito de limpieza y superficie que A269 no lleva. El servicio farmacéutico y de semiconductores añade un acabado electropolido, y el acabado se escribe como un promedio de rugosidad en micrómetros, con la longitud de medición y el instrumento nombrados. Un dibujo que dice calibre liso no ha dicho nada que pueda ser inspeccionado.

La razón por la que la distinción es comercial es que la rugosidad se produce mediante una operación separada. El trefilado establece la dimensión, y el pulido o electropolido establece el acabado, y la segunda operación tiene su propio precio, su propio plazo de entrega y su propia tasa de desperdicio. Una cotización que los agrupa sin nombrar el valor de rugosidad ha cotizado un acabado que el comprador no puede hacer cumplir.

Tubo de precisión no es una familia de materiales. Es una clase de producto que se sitúa sobre varias familias de materiales, y cada familia se rige por su propia norma de tubos. La norma decide entonces qué pruebas se informarán en el certificado, por lo que la elección de la aleación llega hasta la documentación.

Dos entradas en esa tabla necesitan una nota. El titanio Grado 2 es el grado comercialmente puro utilizado para tubos de condensador e intercambiador de calor, y el Grado 5 es la aleación de alta resistencia cuya forma de tubo se pide según una especificación de tubos aeroespaciales, por lo que los dos grados no son intercambiables en un pedido de condensador. El tubo de precisión de acero al carbono y baja aleación queda fuera de la tabla, ya que se rige por la EN 10305-1 y expresa sus tolerancias como grados y no como una única tabla dimensional. Mezclar esa clase en una consulta de aleación de níquel cambia la ruta de inspección, el certificado y la base de precios.

El alcance de cada documento lleva un límite de tamaño que vale la pena leer antes de solicitar una cotización. ASTM B163, por ejemplo, cubre tubos de condensador e intercambiador de calor de níquel y aleaciones de níquel sin costura de 3 pulgadas (76,2 mm) de diámetro exterior y menos, con espesores de pared mínimos de 0,148 pulgadas (3,76 mm) y menos. Un requisito fuera de ese sobre pertenece a una especificación de tubería y no a la especificación de tubo, y los requisitos de prueba cambian con él.

El programa de pruebas es donde divergen dos pedidos, de otro modo similares.

Un tubo 316 pedido según A269 y el mismo tubo pedido según A213 son la misma aleación y no la misma compra. El segundo lleva un resultado de tracción y una ruta de aceptación diferente, y si la aplicación es un intercambiador de calor, el segundo es el documento que el diseñador necesita. Enviar un certificado A269 a un revisor que pidió A213 no resuelve la pregunta, porque la prueba faltante no se puede inferir de la química.

Cuatro fallos representan la mayor parte de la correspondencia en un pedido de tubo de precisión, y los cuatro son visibles antes de realizar el pedido.

El primero es un dibujo que especifica el diámetro exterior, el diámetro interior y la pared, cada uno con una tolerancia. La geometría hace que una de las tres sea redundante, y los tres límites diferirán en los extremos de sus bandas. La solución es tolerar dos dimensiones y declarar la tercera como referencia.

El segundo es una cifra de pared sin base adjunta. La pared media y la pared mínima difieren en aproximadamente un 11 % en metal en una pared de 2 mm, y el molino cotizará la interpretación más ligera cuando el pedido no lo indique.

El tercero es un requisito de redondez o concentricidad en una pared delgada, donde la norma ya ha relajado la tolerancia de ovalidad porque la sección no puede mantenerla durante el tratamiento térmico. El requisito no es imposible, y cuesta una ruta de proceso diferente y un precio diferente.

El cuarto es un requisito de superficie expresado como una palabra. Liso, limpio y pulido no son medibles, y ninguno de ellos sobrevive a una inspección de entrada. Un valor de rugosidad con una longitud de medición sí lo es.

DLX suministra tubos de aleación de níquel y acero inoxidable de Changzhou, Jiangsu, en forma sin costura y soldada, junto con las mismas familias de aleaciones en barra, alambre y fleje donde la pieza cambia de forma. Los tubos se producen según la norma indicada en el pedido de compra, con la base de pared especificada, y un certificado EN 10204 3.1 está disponible bajo petición con el número de colada trazable a los resultados de las pruebas.

Dos preguntas cierran la mayoría de las cotizaciones de tubos. La primera es qué dos dimensiones rigen, porque esa respuesta establece el dibujo y el proceso. La segunda es si la cifra de pared es media o mínima, porque esa respuesta establece la masa y el precio.

Significa cualquier tolerancia que indique el dibujo, y nada más. ASTM A269 mantiene el diámetro exterior de un tubo de 12,7 a 38,1 mm en más o menos 0,005 pulgadas (0,13 mm) y la pared en más o menos 10 %. Esas son dos clases diferentes de promesas, y un dibujo que usa la palabra sin los números no ha especificado ninguna.

Porque la pared es la mitad de la diferencia entre los dos diámetros, por lo que la tercera cifra está determinada por las otras dos. Tres tolerancias en tres dimensiones dependientes se contradecirán en los extremos de sus bandas, y el molino preguntará cuáles dos rigen antes de cotizar. Tolera dos dimensiones y marca la tercera como referencia.

Un pedido de pared media acepta lecturas por debajo de lo nominal si la media se mantiene dentro de la tolerancia. Un pedido de pared mínima requiere que ninguna lectura caiga por debajo de lo nominal. En una pared de 2,0 mm con una tolerancia del 10 %, el pedido de pared mínima necesita un promedio de 2,22 mm, lo que es aproximadamente un 11 % más de metal que la cifra nominal sugiere.

Porque una sección delgada se distorsiona durante el tratamiento térmico. ASTM A269 permite que un tubo cuya pared sea el 3 % del diámetro exterior o menos exceda el rango normal de ovalidad en un factor de dos, siempre que el promedio de las lecturas máxima y mínima siga cumpliendo. En un tubo de 25,4 mm, ese límite se sitúa en una pared de 0,76 mm.

Se puede suministrar según A269, y un intercambiador de calor se pide normalmente según A213 para acero inoxidable o según B163 para aleaciones de níquel, porque esas normas llevan los requisitos de tracción y no destructivos de los que depende el diseño. La aleación puede ser idéntica y el certificado no lo será.

No. Una tolerancia dimensional restringe el tamaño y no dice nada sobre la rugosidad. A269 pide un tubo limpio libre de escamas y no fija ningún valor de rugosidad. El servicio sanitario se pide según A270, y un acabado farmacéutico se escribe como un promedio de rugosidad en micrómetros con la longitud de medición nombrada.

Un tubo de precisión se define por números que pertenecen a diferentes sistemas. El diámetro exterior se mantiene mediante una cifra absoluta que crece con el tamaño, la pared se mantiene mediante un porcentaje que crece con la pared, la tolerancia de ovalidad se relaja para una sección delgada, y la superficie se mantiene mediante un documento separado o un valor de rugosidad en el dibujo. Un pedido de compra que captura los cuatro ha especificado un tubo. Uno que dice precisión ha especificado una relación de proveedor.

La geometría añade una restricción que ninguna tabla de tolerancias puede eliminar. La pared es la mitad de la diferencia entre los dos diámetros, por lo que dos dimensiones son libres y la tercera sigue. Decidir cuáles dos son libres, y si la pared es media o mínima, establece el dibujo, el proceso, la masa y el precio en ese orden.

ASTM A269/A269M, especificación estándar para tubos de acero inoxidable austenítico sin costura y soldados para servicio general, para la tabla de tolerancias de diámetro exterior y pared, la regla de ovalidad para paredes delgadas y el límite de pared nominal de 0,5 mm.

ASTM A213/A213M, especificación estándar para tubos de caldera, sobrecalentador e intercambiador de calor de acero aleado ferrítico y austenítico sin costura, para los requisitos de tracción que lo separan de A269.

ASTM A270, especificación estándar para tubos sanitarios, para los requisitos de limpieza y superficie que se encuentran fuera de la tabla dimensional.

ASTM B163, especificación estándar para tubos de condensador e intercambiador de calor de níquel y aleaciones de níquel sin costura, para el límite de alcance de 3 pulgadas de diámetro exterior y 0,148 pulgadas de pared mínima.

ASTM B165, especificación estándar para tuberías y tubos de aleación de níquel-cobre sin costura, que cubre tubos sin costura trabajados en frío Monel 400.

ASTM B167, especificación estándar para tuberías y tubos sin costura de aleación de níquel-cromo-hierro, que cubre la familia 600, 601 y 690.

ASTM B622 y B626, especificaciones estándar para tuberías y tubos de aleación de níquel y níquel-cobalto sin costura y soldados, que cubren los grados de corrosión con molibdeno.

EN 10305-1, tubos de acero de precisión trefilados en frío sin costura, como el sistema de tolerancias separado que rige la clase de tubos de acero al carbono y baja aleación.

Los valores de tolerancia citados aquí son los valores publicados para las normas mencionadas, y no son un certificado para un lote entregado. Un tubo se acepta según la edición de la norma mencionada en el pedido de compra, y las ediciones posteriores revisan las tablas. Donde una cifra se calcula, como en la comparación de pared media y pared mínima, es una ilustración aritmética de las definiciones y no un valor tomado de una norma. La excentricidad es el resultado de una ruta de proceso específica y no está fijada por ninguna tabla dimensional citada aquí. La rugosidad superficial se mide según un método y una longitud nombrados, y una cifra de rugosidad sin estos dos detalles no puede ser inspeccionada. Las especificaciones del producto se revisan, y la edición nombrada en el pedido rige. Nada de lo aquí expuesto sustituye a una autorización de ingeniería o a las pruebas de cualificación acordadas entre comprador y proveedor.