¿Cómo elegir pernos de alta resistencia a la tracción para entornos de alta tensión?

¿Qué hace que un perno sea 'de alta resistencia a la tracción'? Calidades, normas y el umbral de 800 MPa

Descifrando las calidades de los pernos de alta resistencia a la tracción (8.8, 10.9, 12.9) y sus resistencias mínimas a la tracción

Los tornillos se clasifican como de alta resistencia cuando alcanzan ese valor mágico de 800 MPa de resistencia a la tracción mínima, lo cual la mayoría de los ingenieros de todo el mundo consideran suficientemente fiable para trabajos estructurales exigentes. Según la norma ISO 898-1, estos tornillos métricos llevan un código especial de dos dígitos. Tome el primer dígito y multiplíquelo por 100 para determinar la resistencia a la tracción expresada en MPa. Luego, observe el segundo dígito, multiplíquelo por diez y obtendrá la resistencia al límite elástico en relación con la resistencia a la tracción total, expresada como porcentaje. ¿Tiene sentido? En realidad, no del todo hasta que lo ve en las hojas técnicas reales de los componentes.

• Grado 8.8 : Resistencia a la tracción de 800 MPa, resistencia al límite elástico de 640 MPa (relación del 80 %); adecuado para usos estructurales generales, como estructuras de edificios y bases de equipos.
• Clase 10.9 : Resistencia a la tracción de 1040 MPa, resistencia al límite elástico de 940 MPa (relación del 90 %); obtenida mediante aceros aleados, como los de cromo-molibdeno, y utilizada en uniones sometidas a altas tensiones, como plumas de grúas o conjuntos de rotores.
• Clase 12.9 : Resistencia a la tracción de 1200 MPa, resistencia al límite elástico de 1100 MPa (relación del 90 %); producido mediante temple y revenido preciso de aceros aleados de alto carbono, reservado para aplicaciones de servicio extremo, incluidos transportadores mineros y subconjuntos aeroespaciales.

La selección depende del tipo de carga, márgenes de seguridad y entorno de servicio, no solo de la resistencia. Especificar grados superiores sin una justificación de diseño correspondiente puede aumentar la fragilidad y el riesgo de fragilización por hidrógeno.

Principales normas internacionales para pernos de alta resistencia: ISO 898-1, ASTM A325/A490 y ASTM A354

La interoperabilidad y seguridad globales dependen de normas armonizadas que regulen la composición del material, el rendimiento mecánico y la trazabilidad. La norma ISO 898-1 establece el referente para pernos métricos de alta resistencia, especificando límites químicos, requisitos de tratamiento térmico y pruebas obligatorias, incluyendo validación de tracción, dureza y carga de prueba.

En Norteamérica, las normas ASTM se alinean estrechamente con los grados ISO, pero reflejan una nomenclatura heredada y criterios específicos de aplicación:

• Astm a325 : Pernos estructurales equivalentes al grado ISO 8.8 (resistencia a la tracción mínima de 827 MPa), ampliamente utilizados en edificios y puentes con estructura de acero.
• ASTM A490 : Perenos estructurales de alta resistencia que equivalen al grado ISO 10.9 (resistencia a la tracción mínima de 1035 MPa), obligatorios para conexiones críticas en zonas sísmicas o estructuras industriales pesadas.
• ASTM A354 : Perenos de acero aleado tratados térmicamente (templado y revenido) en los grados BC (equivalente a 10.9) y BD (equivalente a 12.9), diseñados para aplicaciones que requieren una resistencia superior a la fatiga y estabilidad a temperaturas elevadas.

Las tres normas ASTM exigen marcas en la cabeza de los pernos para garantizar la trazabilidad completa del material —asegurando la responsabilidad desde la acería hasta la instalación— y prohíben sustituciones sin la aprobación previa de ingeniería.

Selección de materiales para pernos de alta resistencia a la tracción en condiciones mecánicas y ambientales extremas

Aceros aleados (42CrMo, B7, 40CrNiMo): optimización de la resistencia al fluencia, tenacidad y resistencia a la fatiga

Cuando se trata de pernos que necesitan una resistencia real, los aceros aleados son básicamente lo que hace que funcionen tan bien cuando el costo no es la principal preocupación. Tomemos, por ejemplo, las aleaciones de cromo molibdeno, específicamente el tipo 42CrMo clasificado bajo las normas ISO como grados 10.9 y 12.9. Estos materiales pueden soportar fuerzas de tracción superiores a 1.040 MPa tras someterse a procesos adecuados de tratamiento térmico que incluyen una enfriamiento cuidadoso seguido de revenido. Lo que esto significa prácticamente es que obtenemos pernos con un buen equilibrio entre suficiente resistencia sin volverse frágiles, además de resistir la degradación causada por ciclos repetidos de esfuerzo. Esta combinación funciona muy bien en aplicaciones donde las piezas se mueven constantemente unas contra otras, como en maquinaria pesada, por ejemplo brazos de excavadoras, o en los complejos sistemas de engranajes presentes en turbinas eólicas modernas.

ASTM A193 B7, que contiene cromo molibdeno, mantiene buena resistencia incluso cuando las temperaturas alcanzan alrededor de 450 grados Celsius. Por eso se utiliza comúnmente en bridas de calderas y tuberías de vapor en centrales eléctricas de carbón. Cuando las condiciones son muy frías, por debajo de menos 50 grados Celsius, los ingenieros recurren a aleaciones 40CrNiMo. El contenido de níquel ayuda a refinar la estructura del grano, por lo que estos materiales permanecen suficientemente tenaces para soportar impactos sin romperse repentinamente. Esto es muy importante para los tanques de gas natural licuado y sus sistemas de transporte. La adición de pequeñas cantidades de vanadio durante el procesamiento hace que los granos de austenita sean más pequeños durante los tratamientos térmicos. Esta sencilla adición evita el inicio de grietas y hace que los componentes duren más bajo tensiones repetidas, algo particularmente importante para las estructuras que sostienen turbinas eólicas marinas en el fondo oceánico.

Aleaciones Especiales y Acero Inoxidable para Aplicaciones con Alta Tensión, Criogénicas o Corrosivas

Los aceros al carbono y los aceros de baja aleación ya no son suficientes ante problemas de corrosión o temperaturas extremas realmente severas. Aquí es donde entran en juego los materiales especializados, que equilibran tanto los requisitos de resistencia como la necesidad de soportar entornos agresivos. Tomemos, por ejemplo, los aceros inoxidables austeníticos, como los tipos A2-304 y A4-316 según la norma ISO 3506. Estos resisten bastante bien la corrosión la mayor parte del tiempo. Sin embargo, existe un inconveniente: estos mismos aceros comienzan a perder más de la mitad de su resistencia a una temperatura aproximada de 400 °C, comparado con lo que pueden soportar a temperaturas normales. Por lo tanto, desde un punto de vista práctico, estos materiales funcionan mejor en condiciones habituales o quizás ligeramente más cálidas, pero no en aplicaciones de alta temperatura.

Para servicios más exigentes:

• Acero inoxidable dúplex (por ejemplo, UNS S32205/S32304) combinan cromo al 22-25% con níquel al 4-6% y nitrógeno para ofrecer una resistencia a la fluencia de aproximadamente 550 MPa y una excepcional resistencia a la corrosión bajo tensión por cloruros, lo que los hace ideales para plataformas offshore de petróleo y gas y plantas desalinizadoras.
• Titanio Grado 5 (Ti-6Al-4V) proporciona una resistencia a la tracción de 895 MPa con aproximadamente la mitad de la densidad del acero, permitiendo fijaciones ligeras y de alta resistencia en sistemas de propulsión marina y aeroespaciales expuestos al agua de mar.
• Superaloyes basados en níquel como el Inconel 718 , certificados según ASTM B637, conservan más del 90 % de su resistencia a temperatura ambiente a 700 °C, mientras resisten oxidación y fluencia lenta, superando en un 300 % a los aceros al carbono en pruebas prolongadas de rotura por fluencia bajo condiciones operativas de reactores nucleares.

Asociar pernos de alta resistencia a las exigencias de infraestructuras críticas

Turbinas eólicas y puentes: garantizar la retención de precarga y vida a la fatiga bajo cargas dinámicas

Los pernos utilizados en turbinas eólicas y en esos enormes puentes de gran luz enfrentan millones de ciclos de carga durante décadas de operación. Estos componentes necesitan más que solo resistencia bruta; requieren una capacidad sobresaliente para mantener su tensión inicial, resistir fracturas y soportar tensiones repetidas sin fallar. Tomemos, por ejemplo, las torres de turbinas. Los pernos allí deben seguir manteniendo todo unido incluso cuando están sometidos a vibraciones constantes de torsión, fuerzas de flexión provocadas por vientos fuertes y cambios de temperatura que pueden deformar los materiales. Cuando esta fuerza de sujeción comienza a disminuir, surgen problemas como deslizamiento entre piezas, desgaste superficial mínimo conocido como fretting, y eventualmente fallas estructurales completas. Los puentes colgantes presentan una historia similar. Sus puntos de anclaje soportan todo tipo de fluctuaciones de estrés relacionadas con el tráfico día tras día. Sin suficiente tenacidad del material en estos pernos críticos, pequeñas grietas comienzan a formarse y propagarse mucho más rápido de lo esperado bajo condiciones normales.

En la mayoría de los casos, los grados 10.9 y ASTM A490 se han convertido en estándares industriales porque ofrecen una excelente resistencia al límite elástico y presentan un rendimiento realmente sobresaliente en ensayos de fatiga que superan los diez millones de ciclos, con relaciones de tensión aproximadas de 0,1. Sin embargo, cuando consideramos entornos marinos, la situación se complica rápidamente. La exposición constante al aire salino y a las salpicaduras de agua de mar hace que los tornillos convencionales ya no sean adecuados. Por ello, los ingenieros suelen especificar, por lo general, opciones de acero inoxidable dúplex o tornillos A490 recubiertos con Geomet®. Estos materiales ayudan a mantener la resistencia estructural mientras combaten la corrosión y la degradación, conservando al mismo tiempo esa fuerza de apriete crítica incluso bajo condiciones marinas severas.

Centrales Eléctricas y Maquinaria Pesada: Gestión del Ciclado Térmico, la Fluencia y la Integridad de las Uniones

Cuando los componentes pasan por ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento, los diferentes materiales se expanden y contraen a tasas variables. Esta falta de coincidencia entre pernos y bridas puede provocar problemas de relajación y posibles fugas en equipos a presión. El problema empeora cuando las temperaturas permanecen por encima de 540 grados Celsius durante períodos prolongados. A estos niveles, la deformación por fluencia (creep) toma protagonismo. Incluso si la tensión permanece por debajo de los límites elásticos, los pernos se alargarán lentamente con el tiempo. A medida que se elongan, la fuerza de sujeción disminuye, lo que pone en riesgo toda la unión. Esto es particularmente preocupante en aplicaciones críticas como ensamblajes de turbinas de vapor, conexiones de cabezales de calderas y esos reactores masivos presentes en plantas petroquímicas, donde un fallo no solo es costoso, sino potencialmente peligroso.

Los tornillos ASTM A354 grado BD, fabricados normalmente en acero 42CrMo o aleaciones comparables de cromo-molibdeno-vanadio, están diseñados específicamente para resistir la deformación por fluencia y mantener su resistencia incluso cuando se exponen a fluctuaciones de temperatura. Al instalar estos tornillos, es esencial una calibración adecuada del par de apriete. Muchas instalaciones también requieren procedimientos de apriete en caliente, ya que los distintos materiales se expanden a tasas diferentes al calentarse. Este problema se vuelve especialmente acusado en equipos como trituradoras de carbón y prensas hidráulicas, donde las cargas de impacto repetidas provocan un deslizamiento microscópico entre las roscas. Este pequeño movimiento genera, con el tiempo, lo que los ingenieros denominan desgaste por vibración (fretting wear). Para contrarrestar este problema, los equipos de mantenimiento suelen instalar arandelas Belleville endurecidas y aplicar lubricante de disulfuro de molibdeno sobre las roscas. Estas medidas ayudan a reducir la fricción sin comprometer la estabilidad de la tensión del tornillo bajo condiciones operativas de carga.

Estrategias de protección contra la corrosión para la fiabilidad a largo plazo de tornillos de alta resistencia

Galvanizado, chapado de zinc y recubrimientos Geomet®: compensaciones de rendimiento y riesgos de fragilización por hidrógeno

La protección contra la corrosión nunca debe comprometer la integridad mecánica de los tornillos de alta resistencia, especialmente aquellos clasificados en grado 10.9 y superiores, que son altamente susceptibles a la fragilización por hidrógeno.

• Galvanización en caliente proporciona capas gruesas y duraderas de aleación zinc-hierro que ofrecen una excelente protección barrera en ambientes marinos o rurales, pero añade variaciones dimensionales que podrían interferir con ensambles de ajuste estrecho y requiere roscado posterior al recubrimiento para ajustes precisos.
• Chapado electrolítico de zinc es económico y uniforme, pero recubrimientos más delgados se degradan más rápidamente bajo exposición ácida o salina; sigue siendo común para uso estructural en interiores o en lugares protegidos.
• Recubrimientos tipo Geomet® (sistemas de escamas de zinc/aluminio según ISO 10683 o ASTM F1941) ofrecen una resistencia superior a la niebla salina (>1.000 horas hasta óxido blanco según ASTM B117) con un cambio mínimo de espesor, preservando el ajuste y la funcionalidad: ideal para infraestructuras offshore y de transporte.

Todos los procesos de galvanoplastia introducen hidrógeno atómico en la estructura del acero. Cuando se trata de prevenir fracturas frágiles retardadas, existe un requisito específico para los tornillos clasificados en grado 10.9 o superior: estos deben someterse a un proceso de recocido tras el chapado. El rango de temperatura debe estar entre 190 y 230 grados Celsius, y la duración debe ser de al menos ocho horas. Es fundamental que este recocido comience como máximo cuatro horas después de finalizar el chapado. Para piezas utilizadas en aplicaciones realmente críticas, esta etapa de difusión simplemente no puede omitirse. Los fabricantes deben verificar que los proveedores dispongan de documentación adecuada que demuestre el cumplimiento de las normas ISO 10683 Anexo C o de la sección correspondiente de la norma ASTM F1941 (Sección 7). Hacer esto correctamente marca una diferencia real en la fiabilidad de los componentes.