Un análisis exhaustivo de la clasificación de tubos sin costura de acero al carbono: desde las normas nacionales hasta los escenarios de aplicación

Introducción: ¿Por qué es crucial la clasificación de los tubos de acero al carbono sin costura?

Los tubos de acero al carbono sin costura, que actúan como los «vasos sanguíneos» de la industria, desempeñan funciones fundamentales en el transporte de fluidos, la transmisión de presión y el soporte de estructuras en sectores como el petróleo, la química, la energía y la fabricación de maquinaria. Diferentes condiciones operativas imponen requisitos de rendimiento muy distintos sobre los materiales de los tubos: desde el transporte de fluidos comunes a temperatura y presión normales hasta tuberías de vapor sometidas a altas temperaturas y presiones, pasando por estructuras generales de edificación hasta equipos centrales en centrales nucleares. La selección correcta del grado de los tubos de acero al carbono sin costura no solo afecta la calidad y la seguridad del proyecto, sino que también impacta directamente la viabilidad económica de la inversión.

Este artículo describirá sistemáticamente el sistema de clasificación de tubos sin costura de acero al carbono, desde las normas de aplicación, las calidades de material, los procesos de fabricación hasta los requisitos de inspección, ayudándole a encontrar la ruta de toma de decisiones más científica en el complejo laberinto de la selección de materiales.

I. Dimensiones fundamentales de clasificación de los tubos sin costura de acero al carbono
La clasificación de los tubos sin costura de acero al carbono se refleja principalmente en cuatro dimensiones: grado de norma aplicable, grado de material, grado de calidad de fabricación y grado de condición operativa.

1.1 Clasificación según las normas aplicables
La producción y aplicación de tubos sin costura de acero al carbono en nuestro país sigue principalmente las siguientes normas nacionales fundamentales, que por sí mismas constituyen una clasificación importante:

Código de la norma | Nombre de la norma | Aplicación principal

GB/T 8163 Tubos de acero sin costura para transporte de fluidos | Transporte general de fluidos, como petróleo, petróleo y gas, agua, aire, etc.

GB 3087 Tubos de acero sin costura para calderas de baja y media presión | Vapor sobrecalentado, agua en ebullición, etc. en calderas de baja y media presión

GB 6479 Tubos de acero sin costura de alta presión para equipos fertilizantes | Equipos y tuberías fertilizantes de alta presión, incluidas condiciones de baja temperatura

GB 9948 Tubos de acero sin costura para craqueo petrolero | Unidades de craqueo petrolero, donde el estándar 8163 no es adecuado

GB/T 5310 Tubos de acero sin costura para calderas de alta presión | Tuberías de vapor sobrecalentado para calderas de alta presión

GB/T 8162 Tubos de acero sin costura para usos estructurales | Estructuras generales y mecánicas, como componentes para construcción y maquinaria

GB/T 9711 Tubos de acero para transporte en la industria del petróleo y el gas | Tuberías de transporte de petróleo y gas a larga distancia

Cabe destacar que campos especiales, como las centrales nucleares, cuentan con normas de clasificación específicas. Por ejemplo, la norma GB/T 24512.1 especifica los requisitos de clasificación para tubos de acero al carbono sin soldadura utilizados en centrales nucleares, aplicable a los equipos de Clase 1, 2 y 3.

1.2 Clasificación por grado de material

Los grados de material más comunes para tubos de acero al carbono sin soldadura incluyen:

Serie de aceros de bajo carbono: acero núm. 10 y acero núm. 20 — utilizados principalmente en tuberías de transporte de fluidos

Serie de aceros de medio carbono: acero núm. 35 y acero núm. 45 — utilizados principalmente en piezas para fabricación mecánica

Serie de aceros de baja aleación: Q345 (16Mn), 09MnV — utilizados en aplicaciones que requieren mayor resistencia.

II. Análisis detallado de los grados normativos fundamentales

2.1 Tubos de acero sin soldadura para transporte de fluidos (GB/T 8163)

Esta es la norma más básica para tubos de acero al carbono sin soldadura, aplicable a condiciones de petróleo, gas natural y otros medios industriales, con temperaturas de diseño inferiores a 350 °C y presiones inferiores a 10,0 MPa.

Grados de material: 10, 20, Q345, etc.

Requisitos de inspección: El análisis de la composición química, los ensayos de tracción, los ensayos de aplanamiento y los ensayos hidrostáticos son obligatorios. Los ensayos de embocadura (flaring) y de doblado en frío pueden requerirse según lo acordado.

Proceso de fabricación: Fundición principalmente en hornos de cubilote o convertidores, lo que da lugar a una cantidad relativamente mayor de impurezas y defectos internos.

Escenarios de aplicación: Tuberías industriales generales, sistemas de tratamiento de agua y transporte de fluidos a baja presión.

2.2 Tubos de acero sin costura para calderas de baja y media presión (GB 3087): Norma específicamente diseñada para sistemas de calderas, aplicable a tuberías de vapor sobrecalentado y agua en ebullición en calderas de baja y media presión.

Grados de material: 10, 20

Requisitos de inspección: Además de los ensayos generales, se requiere un ensayo de doblado en frío.

Proceso de fabricación: Similar al 8163, fundición en hornos de cubilote o convertidores, con requisitos ligeramente más exigentes de control de calidad.

Escenarios de aplicación: Tuberías de vapor públicas en calderas, centrales eléctricas, sistemas de calefacción y plantas petroquímicas.

2.3 Tubos de acero sin costura para craqueo petrolero (GB 9948): Diseñados específicamente para unidades de refinación petrolera, adecuados para aplicaciones en las que los tubos de acero GB/T 8163 no son apropiados.

Grados de material: 10, 20; la serie de aceros cromo-molibdeno incluye 12CrMo, 15CrMo, etc.

Requisitos de inspección: Además de las pruebas básicas, se requieren ensayos de embocadura y de impacto; los requisitos de inspección son rigurosos.

Proceso de fabricación: Emplea principalmente fundición en horno eléctrico con refinado en cuchara, lo que da lugar a un número relativamente menor de defectos composicionales e internos.

Escenarios de aplicación: Medios de petróleo y gas-petróleo con temperaturas de diseño superiores a 350 ℃ o presiones superiores a 10,0 MPa; tuberías que operan en proximidad al hidrógeno; entornos propensos a la corrosión por tensión.

2.4 Tubos de acero sin costura para equipos fertilizantes de alta presión (GB 6479): adecuados para equipos fertilizantes y tuberías de alta presión, cubriendo condiciones operativas severas de -40 ℃ a 400 ℃ y 10,0 a 32,0 MPa.

Grados de material: 10, 20G, 16Mn, etc.

Requisitos de inspección: ensayos de embocadura y de impacto estrictamente exigidos, con requisitos particulares respecto a la tenacidad al impacto a bajas temperaturas.

Proceso de fabricación: la norma en sí especifica los requisitos de refinación en cuchara, lo que minimiza las impurezas y los defectos internos, logrando así la máxima calidad.

Escenarios de aplicación: entornos de baja temperatura (por debajo de -20 ℃); medios químicos de alta presión; situaciones con requisitos de seguridad extremadamente elevados.

2.5 Tubos de acero sin costura para calderas de alta presión (GB/T 5310): norma específica para sistemas de calderas de alta presión, aplicable a medios de vapor sobrecalentado en calderas de alta presión.

Grados de material: 20G; series de aceros cromo-molibdeno, incluidos 15MoG, 20MoG, 12CrMoG, 15CrMoG, etc.

Requisitos de inspección: Equivalente a la norma 6479, cumpliendo estrictamente las pruebas de embocadura y de impacto.

Proceso de fabricación: Refinado en cuchara, con una calidad de material extremadamente alta.

Comparación internacional de referencia: El acero 20G según GB/T 5310 corresponde al ASME SA-106 Gr.B, y ambos pueden utilizarse indistintamente en ingeniería internacional.

2.6 Tubos de acero sin costura para usos estructurales (GB/T 8162): A diferencia de las aplicaciones para transporte de fluidos mencionadas anteriormente, este tipo de producto se emplea en estructuras generales y estructuras mecánicas.

Grados de material: 10, 20, 35, 45, Q345, 20Cr, 40Cr, 15CrMo, etc.

Precisión dimensional: Clasificada en cuatro grados D1 a D4 según la desviación del diámetro exterior, alcanzando la máxima precisión ±0,50 % (mínimo ±0,10 mm).

Escenarios de aplicación: Puentes, edificios, piezas mecánicas, componentes portantes para automóviles, soportes hidráulicos, etc.

III. Clasificación y lógica de selección por grado de calidad de fabricación

3.1 Clasificación de los grados de calidad, de bajo a alto

Basándose en los procesos de fundición, los requisitos de inspección y el rendimiento en aplicaciones prácticas, los grados de calidad de fabricación de las normas mencionadas anteriormente para tubos de acero se clasifican de la siguiente manera:

GB/T 8163 < GB 3087 < GB 9948 < GB/T 5310 < GB 6479

La clasificación progresa de menor a mayor calidad. Cabe destacar que la norma GB 6479, debido a sus requisitos especiales en cuanto a tenacidad al impacto a baja temperatura y a sus regulaciones más estrictas sobre la refinación en cuchara, ocupa el puesto más alto en la jerarquía de calidad.

3.2 Lógica fundamental de selección

En la selección real para aplicaciones de ingeniería, deben seguirse los siguientes principios de toma de decisiones:

**Principio de coincidencia con las condiciones operativas:** utilizar la norma 8163 para condiciones operativas generales, y las normas 9948 o 6479 para altas temperaturas y altas presiones.

**Principio de prioridad de la temperatura:** para temperaturas de diseño superiores a 350 °C o inferiores a −20 °C, seleccionar directamente el grado de calidad superior.

**Principio de especialidad del medio:** para operaciones con exposición al hidrógeno y entornos con riesgo de corrosión bajo tensión, seleccionar las normas 9948 o 6479.

**Principio de cumplimiento normativo:** Las tuberías de vapor dentro del alcance de supervisión de la caldera deben utilizar acero según las normas 3087 o 5310.

**Principio económico:** Los tubos de acero de mayor calidad son más costosos (por ejemplo, el 9948 es casi un 1/5 más caro que el 8163), lo que exige un equilibrio entre fiabilidad y costo.

3.3 Limitaciones importantes
De acuerdo con los requisitos de normas como las "Regulaciones técnicas de seguridad para la inspección de tuberías a presión":

Los tubos de acero conforme a las normas GB 3087 y GB 8163 no deben utilizarse en tuberías a presión de grado GC1 (a menos que cada tubo sea sometido a ensayo ultrasónico y su calidad no sea inferior al grado L2.5, y la presión de diseño sea ≤ 4,0 MPa).

IV. Clasificación por grados para campos especiales, como construcción naval y centrales nucleares

4.1 Tubos de acero sin costura para construcción naval (GB/T 5312)
Los sistemas de tuberías marinas se clasifican en tres grados: I, II y III, según la presión y la temperatura de diseño:

Grado de tubería | Requisitos de presión/temperatura de diseño | Aplicaciones típicas

Grado I | Parámetros superiores (por ejemplo, vapor >1,6 MPa/300 ℃) | Tuberías de vapor de alta presión y de fuel oil

Grado II | Parámetros medios | Sistemas de presión media

Grado III | Parámetros inferiores | Sistemas auxiliares de baja presión
Los grados de acero son 320, 360, 410, 460 y 490, donde los números indican la resistencia a la tracción mínima (MPa).

4.2 Tubos de acero sin costura para centrales nucleares (GB/T 24512.1): Los tubos de acero al carbono sin costura para centrales nucleares se clasifican, según su nivel de seguridad, de la siguiente manera:

Nivel 1: Equipamiento nuclear de seguridad de máximo nivel

Nivel 2: Equipamiento de seguridad importante

Nivel 3: Equipamiento de seguridad general

Grado no nuclear: Isla convencional y sistemas auxiliares

V. Sistema más reciente de clasificación y evaluación de calidad. Además del sistema tradicional de clasificación según estándares, la industria ha introducido en los últimos años un sistema de clasificación y evaluación de calidad más refinado. De acuerdo con la norma T/CAS ES470700003-2022 «Reglas para la clasificación y evaluación de la calidad de productos industriales — Accesorios sin soldadura para tuberías de acero al carbono y acero aleado»:

Dimensiones de evaluación:

Revisión de las calificaciones básicas (veto individual)

Evaluación de la capacidad de garantía de producción (puntuación individual)

Ensayos de rendimiento del producto (puntuación individual)

Clasificación por grado de calidad: En función de la puntuación total obtenida en la evaluación integral, se divide en 9 grados, de mayor a menor:

AAA, AA, A (Grado excelente)

BBB, BB, B (Grado bueno)

CCC, CC, C (Grado conforme)

Este método de clasificación permite reflejar de forma más integral el nivel real de calidad del producto y satisfacer las necesidades diferenciadas de los usuarios respecto a la calidad del producto.

VI. Directrices para la toma de decisiones sobre la selección y conceptos erróneos comunes

6.1 Método de selección en cuatro pasos
Aclarar la aplicación: ¿Transporte de fluidos? ¿Tuberías de caldera? ¿Soporte estructural de cargas?

Evaluación de las condiciones de operación: temperatura, presión, características del medio, condiciones ambientales

Ajuste a las normas aplicables: seleccionar las normas pertinentes en función del análisis anterior.

Determinación del grado: seleccionar el grado de material más económico dentro del rango establecido por la norma.

6.2 Conceptos erróneos comunes en la selección
Concepto erróneo 1: «El acero 8163 es versátil y puede utilizarse en todas las situaciones.»
Corrección: El acero 8163 está estrictamente prohibido en condiciones de operación especiales, tales como altas temperaturas, altas presiones, bajas temperaturas y exposición al hidrógeno.

Concepto erróneo 2: «Cuanto mayor sea el grado de la norma, más seguro será.»

Corrección: El grado estándar debe coincidir con las necesidades reales; una selección excesiva conlleva desperdicio (por ejemplo, el grado 5310 se utiliza para tuberías de agua generales).

Concepto erróneo 3: «Solo hay que fijarse en la norma, no en el proceso de fundición».

Corrección: Incluso con la misma norma, las diferencias en los procesos de fundición entre distintos fabricantes afectarán la calidad real del producto.

Concepto erróneo 4: «Ignorar las diferencias en los requisitos de inspección».

Corrección: La ventaja fundamental de las normas de grado elevado radica en requisitos de inspección más estrictos.

Conclusión: La selección científica genera valor ingenieril. La clasificación de tubos sin costura de acero al carbono constituye un sistema integral que abarca desde lo básico hasta lo de gama alta, y desde lo general hasta lo especializado. Una selección correcta de materiales debe basarse en una evaluación precisa de las condiciones de funcionamiento, una comprensión exhaustiva de las normas aplicables y unos requisitos de calidad razonables, logrando así el equilibrio óptimo entre fiabilidad y economía.

Cuando se enfrenten condiciones operativas complejas o incertidumbres, se recomienda consultar a un ingeniero especializado en materiales y realizar, si es necesario, ensayos a pequeña escala para su verificación. Al fin y al cabo, las pérdidas derivadas de una avería en la tubería causada por una selección inadecuada del material superan con creces la prima razonable pagada por dicho material.