¿Por qué se controla específicamente el contenido de azufre en válvulas y accesorios de acero inoxidable para centros de datos refrigerados por líquido?

Se utilizan grandes cantidades de válvulas y accesorios de acero inoxidable en todas las tuberías de circulación de refrigerante de los sistemas de centros de datos refrigerados por líquido. Gracias a su resistencia a la corrosión, limpieza, resistencia mecánica y larga vida útil, los componentes de acero inoxidable se han convertido en una parte importante de las unidades de distribución de refrigeración, colectores, tuberías principales, ramales y otras infraestructuras de refrigeración líquida.

Sin embargo, las válvulas y accesorios de acero inoxidable utilizados en proyectos de centros de datos refrigerados por líquido suelen estar sujetos a un requisito específico de contenido de azufre. En muchos proyectos, se requiere controlar el contenido de azufre del acero inoxidable dentro del rango de:

S = 0,005%–0,030%

Este requisito no pretende mejorar el rendimiento de refrigeración, ni el azufre en sí mejora la resistencia a la corrosión del acero inoxidable.

El objetivo principal es garantizar un rendimiento de soldadura automática estable y repetible para tuberías, colectores y conjuntos de tuberías prefabricados de acero inoxidable.

Esto es particularmente importante cuando Se utiliza la soldadura orbital autógena GTAW, también conocida como soldadura TIG orbital automática sin metal de aportación. En este proceso de soldadura, el contenido de azufre puede afectar significativamente el flujo del baño de soldadura, la penetración de la soldadura, la geometría del cordón y la consistencia de la soldadura.

Los sistemas de refrigeración líquida para centros de datos, incluidas las unidades de distribución de refrigeración, los colectores en rack, las tuberías principales, las tuberías secundarias y los tubos de precisión de pared delgada, requieren una gran cantidad de conexiones soldadas altamente consistentes con un riesgo de fuga extremadamente bajo. Por este motivo, la soldadura orbital automática se utiliza cada vez más en la fabricación e instalación de estos sistemas.

1. El contenido de azufre afecta la penetración de la soldadura

El azufre es un elemento tensioactivo en el baño de soldadura fundida del acero inoxidable.

Puede cambiar la relación entre la tensión superficial y la temperatura en el metal fundido, cambiando así la dirección del movimiento del fluido dentro del baño de soldadura. Este fenómeno se conoce como el Efecto Marangoni.

Cuando el contenido de azufre es demasiado bajo

Cuando el contenido de azufre cae por debajo de aproximadamente 0,005%, pueden ocurrir las siguientes condiciones:

• El metal fundido tiende a fluir hacia afuera desde el centro del baño de soldadura.

• El calor de la soldadura se propaga hacia ambos lados de la junta.

• El cordón de soldadura se vuelve más ancho y menos profundo.

• Puede producirse una penetración radicular insuficiente o una falta de fusión localizada.

• El mismo programa de soldadura puede producir diferentes resultados en materiales de diferentes calores.

Según la literatura sobre soldadura orbital, cuando el contenido de azufre del acero inoxidable 316L es inferior a aproximadamente 0,005 %, lograr una penetración suficiente se vuelve más difícil.

El ancho externo del cordón de soldadura puede aumentar aproximadamente un 50% y, en algunos casos, es posible que sea necesario aumentar el aporte de calor de soldadura en aproximadamente un 40% para lograr el mismo nivel de penetración. Estos efectos se han comentado en materiales técnicos publicados por Swagelok y otros especialistas en soldadura orbital.

Cuando el contenido de azufre se controla adecuadamente

Cuando el contenido de azufre se mantiene dentro de un rango apropiado:

• El metal fundido tiende a fluir hacia el centro del baño de soldadura.

• El calor de la soldadura se concentra más en el centro y la raíz de la soldadura.

• El cordón de soldadura se vuelve más estrecho y profundo.

• Es más fácil lograr una penetración total en una sola pasada.

• Los programas de soldadura automáticos se vuelven más repetibles.

Los estudios experimentales también han demostrado que la penetración de la soldadura en acero inoxidable austenítico generalmente aumenta a medida que aumenta el contenido de azufre dentro de un rango adecuado. La razón principal es que el azufre cambia la dirección y la intensidad de la convección Marangoni dentro del baño de soldadura.

El efecto se puede resumir de la siguiente manera:

2. ¿Por qué el límite inferior suele establecerse en 0,005%?

Un contenido de azufre de 0,005% equivale a 50 ppm.

El objetivo principal de este límite inferior es evitar que el material entre en un rango de contenido de azufre ultrabajo. Contrariamente a la suposición común, una menor cantidad de azufre no siempre significa una mejor soldabilidad.

Esta distinción es importante:

• Desde la perspectiva de la pureza del material y la resistencia a la corrosión, una menor cantidad de azufre generalmente se considera beneficiosa.

• Desde la perspectiva de la soldadura orbital autógena, un nivel excesivamente bajo de azufre puede dificultar lograr una penetración suficiente de la soldadura.

Por lo tanto, cuando un cliente especifica un contenido mínimo de azufre del 0,005 %, el objetivo probable es garantizar que los tubos, accesorios, válvulas y otros componentes del extremo soldado puedan soldarse utilizando un programa de soldadura orbital estable y estandarizado.

Sin este límite inferior, es posible que sea necesario ajustar la corriente de soldadura, la configuración del pulso, la velocidad de desplazamiento y otros parámetros siempre que se introduzcan materiales de diferentes calores.

3. ¿Por qué el límite superior está establecido en 0,030%?

Hay que distinguir dos cuestiones distintas.

3.1 El valor del 0,030 % suele ser el máximo permitido por las normas de materiales

Según las especificaciones de materiales de ASTM, el contenido máximo de azufre para muchos grados comúnmente utilizados, incluidos TP304, TP304L, TP316 y TP316L, suele ser 0,030%.

Por tanto, cuando un cliente especifica:

S = 0,005%–0,030%

el requisito puede significar:

• El azufre no debe estar por debajo del 0,005% para evitar dificultades en la soldadura orbital causadas por niveles ultra bajos de azufre.

• El azufre no debe exceder el límite máximo normal de 0,030% para acero inoxidable 304L o 316L.

3.2 Un límite superior del 0,030 % no es necesariamente el límite óptimo para la soldadura orbital

Para aplicaciones de soldadura orbital autógena altamente controladas, algunas pautas de ingeniería recomiendan lo siguiente:

• Es preferible que el contenido de azufre se mantenga por debajo del 0,017 % aproximadamente.

• La diferencia de contenido de azufre entre dos componentes que se van a soldar preferiblemente no debe exceder aproximadamente el 0,007 %.

• Cuando la diferencia en el contenido de azufre excede aproximadamente el 0,010 %, el baño de soldadura puede desplazarse hacia el material con menor contenido de azufre, lo que podría provocar una penetración localizada incompleta.

Por lo tanto, desde la perspectiva del control del proceso de soldadura, el rango de 0,005 % a 0,030 % es relativamente amplio.

Esto no significa que todos los materiales dentro de este rango proporcionarán un rendimiento de soldadura orbital idéntico.

Por ejemplo:

• Los tubos de acero inoxidable tienen un contenido de azufre del 0,006 %.

• Un accesorio de acero inoxidable tiene un contenido de azufre del 0,028%.

Ambos componentes cumplen individualmente el rango especificado de 0,005%–0,030%. Sin embargo, su diferencia en el contenido de azufre es del 0,022%.

Cuando estos dos componentes se unen mediante soldadura orbital autógena, la falta de coincidencia de azufre puede causar un movimiento asimétrico del baño de soldadura, una penetración insuficiente localizada o una formación inconsistente de cordones de raíz.

Este es un tema crítico para los fabricantes de válvulas, accesorios, colectores y conjuntos de tuberías prefabricados de acero inoxidable.

4. Un mayor contenido de azufre no siempre es mejor

Aunque aumentar el contenido de azufre dentro de un rango controlado puede mejorar la penetración de la soldadura, un mayor contenido de azufre también tiene desventajas.

El azufre puede combinarse con manganeso para formar inclusiones de sulfuro de manganeso. El exceso de azufre puede provocar:

• Aumento de MnS y otras inclusiones de sulfuro.

• Un mayor riesgo de agrietamiento por solidificación de la soldadura.

• Reducción de limpieza y suavidad de la superficie.

• Más puntos de iniciación para la corrosión localizada.

• Mayor dificultad para conseguir una superficie de soldadura interna limpia y de alta pureza.

La investigación asociada con el Departamento de Energía de EE. UU. ha indicado que el azufre puede aumentar la penetración de la soldadura, pero las fases de sulfuro de bajo punto de fusión también pueden aumentar el riesgo de agrietamiento por solidificación de los límites del grano.

Por lo tanto, el requerimiento de azufre es un equilibrio:

• El contenido de azufre no debe ser demasiado bajo; de lo contrario, puede resultar difícil lograr una penetración completa y estable.

• El contenido de azufre no debe ser demasiado alto, de lo contrario pueden aumentar las inclusiones, el agrietamiento en caliente, los problemas de calidad de la superficie y los riesgos de corrosión.

5. ¿Por qué esta cuestión es especialmente importante para los centros de datos refrigerados por líquido?

Las tuberías de refrigeración líquida en los centros de datos son diferentes de los sistemas de agua de edificios ordinarios o de las tuberías industriales convencionales.

Varias características hacen que la calidad de la soldadura sea especialmente importante.

5.1 Las fugas de refrigerante pueden tener graves consecuencias

Una fuga menor en una tubería industrial ordinaria puede provocar principalmente trabajos de mantenimiento o interrupción de la producción.

Sin embargo, una fuga cerca de un rack de servidores, una unidad de distribución de refrigeración, un colector, un sistema GPU o un componente eléctrico puede afectar directamente el funcionamiento del equipo informático y del centro de datos.

Por lo tanto, las uniones soldadas deben proporcionar:

• Penetración total.

• Sin fusión incompleta.

• No hay oxidación interna significativa.

• Alta repetibilidad.

• Trazabilidad total.

5.2 Uso extensivo de tubos de pared delgada y colectores compactos

Los sistemas de refrigeración líquida tienen un espacio de instalación limitado y a menudo contienen una gran cantidad de tuberías personalizadas, conexiones derivadas, colectores compactos y pequeños conjuntos soldados.

La soldadura orbital automática puede proporcionar una geometría de soldadura estable y un aporte de calor controlado, incluso en ubicaciones compactas o de difícil acceso.

5.3 Los grandes volúmenes de producción requieren parámetros de soldadura estandarizados

Un solo proyecto de refrigeración líquida puede requerir cientos, miles o incluso más válvulas, accesorios, piezas de carrete y componentes múltiples idénticos.

Los clientes e integradores de sistemas no quieren reajustar los parámetros de soldadura cada vez que se introduce un nuevo calor de acero inoxidable.

Controlar tanto el rango de contenido de azufre como la diferencia de contenido de azufre entre los componentes acoplados puede mejorar:

• Compatibilidad con programas de soldadura estandarizados.

• Consistencia en la producción de lote a lote.

• Tasas de aceptación de soldadura de primer paso.

• Cualificación del procedimiento de soldadura.

• Control de calidad y trazabilidad de materiales.

6. Implicaciones prácticas para los fabricantes de válvulas y accesorios de acero inoxidable

Las fábricas no deben interpretar el requisito simplemente como:

El valor de azufre que se muestra en el certificado del material está entre 0,005% y 0,030%, por lo que el material es aceptable.

Es necesario controlar varios factores adicionales.

6.1 Confirmar si se requiere combinación de azufre

Los fabricantes deben aclarar los siguientes requisitos con el cliente:

• ¿Cuál es la diferencia máxima permitida en el contenido de azufre entre la tubería y los accesorios?

• ¿Todos los componentes a soldar deben provenir de calores con niveles de azufre similares?

• ¿El requisito de azufre se aplica solo a cada material base individual, o los componentes acoplados también deben tener el mismo contenido de azufre?

• ¿Los componentes finales se unirán mediante soldadura orbital autógena, soldadura TIG robótica o soldadura manual con metal de aportación?

Cuando se utiliza soldadura orbital autógena, la diferencia en el contenido de azufre entre dos componentes acoplados puede ser más importante que si cada componente individual simplemente se encuentra dentro del amplio rango de 0,005 % a 0,030 %.

6.2 Considere un objetivo de control interno más limitado

Para una producción de gran volumen y a largo plazo, los fabricantes pueden considerar adoptar un objetivo interno de compras y producción más limitado, como por ejemplo:

S = 0,008%–0,017%

Este es sólo un enfoque práctico de control de ingeniería. No debe sustituir la especificación técnica del cliente.

El rango aceptable final debe determinarse de acuerdo con la calificación del procedimiento de soldadura del cliente, las especificaciones del proyecto y las pruebas de soldadura reales.

6.3 Administrar materiales por número de calor

Los fabricantes deben registrar y controlar:

• Grado de acero inoxidable.

• Número de calor.

• Contenido real de azufre.

• Lote de producción.

• La tubería, accesorio, válvula, colector o conjunto con el que se soldará el componente.

Los productos de diferentes calores no deben mezclarse sin control simplemente porque todos están marcados como 304L o 316L.

6.4 No confíe en el XRF portátil estándar para pruebas de bajo nivel de azufre

Los analizadores XRF portátiles son útiles para identificar 304, 316 y otros grados de acero inoxidable midiendo los principales elementos de aleación.

Sin embargo, los equipos XRF portátiles estándar generalmente no pueden medir de manera confiable bajas concentraciones de azufre y fósforo en acero inoxidable.

La información técnica de Thermo Fisher y otros especialistas en análisis de materiales indica que la XRF portátil no es adecuada para verificar con precisión los niveles bajos de azufre y fósforo en acero inoxidable.

Para la verificación del contenido de azufre, los métodos más apropiados incluyen:

• Informes de pruebas de materiales del molino que muestran el valor real de azufre.

• Espectroscopía de emisión óptica por chispa o OES por chispa.

• Análisis de combustión en laboratorio mediante analizador de carbono-azufre.

Por lo tanto, los fabricantes deberían:

• Exigir que el MTR de la acería indique el contenido real de azufre.

• Utilice Spark OES para la verificación cuando sea necesario.

• Utilice pruebas de combustión de laboratorio para lotes críticos o en disputa.

• Evite utilizar resultados XRF portátiles únicamente como prueba de que el material cumple con el requisito mínimo de azufre del 0,005 %.

Conclusión

El requisito de controlar el contenido de azufre entre 0,005 % y 0,030 % en válvulas y accesorios de acero inoxidable para centros de datos refrigerados por líquido está relacionado principalmente con el rendimiento de la soldadura más que con la eficiencia de la refrigeración.

El control adecuado del azufre ayuda a los fabricantes e integradores de sistemas a lograr:

• Penetración de soldadura orbital estable.

• Geometría de soldadura consistente.

• Tasas de aceptación de primer paso más altas.

• Riesgo de fuga reducido.

• Mejor repetibilidad entre lotes.

• Mejora de la trazabilidad de materiales y soldaduras.

Sin embargo, el cumplimiento del rango especificado por sí solo puede no ser suficiente.

Para aplicaciones de soldadura orbital autógena, también son esenciales la combinación de azufre entre los componentes acoplados, la gestión del número de calor, pruebas confiables de azufre y la calificación real de la soldadura.

Acerca de SANSUN

SANSUN Fluid Equipment Co., Ltd. tiene más de 15 años de experiencia en la fabricación de válvulas sanitarias de acero inoxidable, accesorios y equipos de manipulación de fluidos.

Nuestros productos se utilizan ampliamente en las industrias de alimentos, bebidas, farmacéutica, biotecnología y otras industrias de procesamiento higiénico.

En los últimos años, SANSUN también ha fabricado grandes cantidades de válvulas y accesorios de acero inoxidable para proyectos de centros de datos refrigerados por líquido, incluidos productos fabricados con un contenido de azufre especialmente controlado según los requisitos del cliente y del proyecto.

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