Corrosión
La corrosión es un factor crucial en la selección de materiales para cualquier planta industrial o máquina, ya que el material elegido debe resistir los diversos tipos de corrosión a los que estará expuesto. Este artículo se centra en varios tipos de corrosión y sus efectos sobre los metales.
La corrosión es el deterioro de un material debido a su interacción con el entorno. Es el proceso en el cual los átomos metálicos abandonan el metal o forman compuestos en presencia de agua y gases. Todos los metales y aleaciones son susceptibles a la corrosión. Incluso los metales nobles, como el oro, pueden sufrir ataques corrosivos en ciertos entornos.
La corrosión de los metales es un proceso natural. La mayoría de los metales no son termodinámicamente estables en su forma metálica; tienden a corroerse y volver a las formas más estables que se encuentran comúnmente en los minerales, como los óxidos. Aunque esta corrosión no puede eliminarse, puede controlarse.
Corrosión General
La corrosión general que involucra agua y acero generalmente resulta de una acción química donde la superficie del acero se oxida, formando óxido de hierro (herrumbre). La mayoría de los componentes en plantas industriales están hechos de alguna forma de hierro o acero (una aleación a base de hierro), por lo que la corrosión general es de gran importancia.
Algunos métodos estándar para seleccionar materiales que protegen contra la corrosión general incluyen:
- El uso de materiales resistentes a la corrosión como acero inoxidable, níquel, cromo y aleaciones de molibdeno. Nota: La corrosión es de naturaleza electroquímica, y la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables se debe a las películas de óxido en la superficie que interfieren con el proceso electroquímico.
- El uso de recubrimientos protectores como pinturas y epoxis.
- La aplicación de recubrimientos o revestimientos metálicos y no metálicos a la superficie, que protegen contra la corrosión, pero permiten que el material conserve su resistencia estructural (por ejemplo, un recipiente a presión de acero al carbono con revestimiento de acero inoxidable).
Corrosión Galvánica
La corrosión galvánica ocurre cuando dos metales disímiles con diferentes potenciales eléctricos están en contacto eléctrico en un electrolito. Existe una diferencia de potencial eléctrico entre los metales, lo que impulsa el flujo de corriente eléctrica a través del corrosivo o electrolito; esta corriente resulta en la corrosión de uno de los metales. Cuanto mayor sea la diferencia de potencial, mayor será la probabilidad de corrosión galvánica. La corrosión galvánica solo deteriora uno de los metales. El metal menos resistente, más activo, se convierte en el sitio de corrosión anódico (negativo). El metal más fuerte, más noble, es catódico (positivo) y está protegido. Sin contacto eléctrico, ambos metales serían atacados uniformemente por el medio corrosivo, lo que se denominaría corrosión general.
Se han creado tablas de diferencia de potencial eléctrico que organizan los metales desde el más activo, o menos noble, hasta el más pasivo, o más noble.
La corrosión galvánica es de particular preocupación en el diseño y selección de materiales. La selección de materiales es crucial porque diferentes metales pueden entrar en contacto y formar células galvánicas. El diseño es importante para minimizar las condiciones de flujo diferentes y las áreas resultantes de acumulación de corrosión.
En algunos casos, la corrosión galvánica puede ser útil. Por ejemplo, si se colocan piezas de zinc en el fondo de un tanque de agua de acero, el zinc se convertirá en el ánodo y se corroerá. El acero en el tanque se convierte en el cátodo y no se verá afectado por la corrosión. Esta técnica se conoce como protección catódica. El metal a proteger se convierte en un cátodo y se corroerá a un ritmo mucho más lento que el otro metal, que se utiliza como ánodo de sacrificio.
Corrosión Localizada
La corrosión localizada se define como la eliminación selectiva de metal por corrosión en pequeñas áreas o zonas en una superficie metálica en contacto con un entorno corrosivo, generalmente un líquido. Generalmente ocurre cuando pequeños sitios locales son atacados a un ritmo mucho más alto que el resto de la superficie original. La corrosión localizada ocurre cuando la corrosión trabaja con otros procesos destructivos como estrés, fatiga, erosión y otras formas de ataque químico. Los mecanismos de corrosión localizada pueden causar más daño que cualquiera de esos procesos destructivos individualmente. Hay muchos tipos diferentes de corrosión localizada. Picado, agrietamiento por corrosión bajo tensión, corrosión por cloruros bajo tensión, corrosión cáustica bajo tensión, corrosión bajo tensión del lado primario, abolladuras en tubos de intercambiadores de calor, desgaste y corrosión por ataque intergranular, por nombrar solo algunos.
Agrietamiento por Corrosión Bajo Tensión
Uno de los problemas metalúrgicos más serios y una gran preocupación en la industria de generación de energía es el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC). El SCC es un tipo de corrosión por ataque intergranular que ocurre en los límites de grano bajo tensión de tracción. Tiende a propagarse a medida que el estrés abre grietas que están sujetas a corrosión, que luego se corroen aún más, debilitando el metal al agrietarse aún más. Las grietas pueden seguir caminos intergranulares o transgranulares, y a menudo hay una tendencia al ramificación de grietas.
Las grietas se forman y propagan aproximadamente en ángulos rectos a la dirección de las tensiones de tracción a niveles de estrés mucho más bajos que los requeridos para fracturar el material en ausencia del entorno corrosivo. A medida que el agrietamiento penetra más en el material, eventualmente reduce la sección transversal de soporte del material hasta el punto de falla estructural por sobrecarga.
Las tensiones que causan el agrietamiento surgen del trabajo en frío residual, soldadura, esmerilado, tratamiento térmico o tensiones aplicadas durante el servicio; la tensión aplicada debe ser de tracción (en oposición a compresiva).
El SCC ocurre en metales expuestos a un entorno donde, si la tensión no estuviera presente o estuviera a niveles mucho más bajos, no habría daño. Si la estructura, sujeta a las mismas tensiones, estuviera en un entorno diferente (no corrosivo para ese material), no habría falla. Ejemplos de SCC en la industria de generación de energía son las grietas en sistemas de tuberías de acero inoxidable y vástagos de válvulas de acero inoxidable.
Los medios más efectivos para prevenir el SCC son:
- Diseño adecuado.
- Reducción del estrés.
- Eliminación de especies ambientales críticas como hidróxidos, cloruros y oxígeno.
- Evitar áreas estancadas y grietas en intercambiadores de calor donde los cloruros y los hidróxidos puedan concentrarse.
Los aceros de baja aleación son menos susceptibles al SCC que los aceros de alta aleación, pero están sujetos al SCC en agua que contiene iones de cloruro. Sin embargo, las aleaciones a base de níquel no se ven afectadas por los iones de cloruro o hidróxido.
Un ejemplo de una aleación a base de níquel que es resistente al agrietamiento por corrosión bajo tensión es el Inconel. El Inconel está compuesto por 72% de níquel, 14-17% de cromo, 6-10% de hierro y pequeñas cantidades de manganeso, carbono y cobre.
Corrosión por Cloruros Bajo Tensión
La corrosión por cloruros bajo tensión es un tipo de corrosión intergranular y ocurre en acero inoxidable austenítico bajo tensión de tracción en presencia de oxígeno, iones de cloruro y alta temperatura.
Se cree que comienza con depósitos de carburo de cromo a lo largo de los límites de grano que dejan el metal abierto a la corrosión. Esta forma de corrosión se controla manteniendo bajo el contenido de iones de cloruro y oxígeno en el entorno y el uso de aceros de bajo carbono.
Corrosión Cáustica Bajo Tensión
A pesar de la extensa calificación del Inconel para aplicaciones específicas, han surgido varios problemas de corrosión con los tubos de Inconel. Se puede mejorar la resistencia al agrietamiento por corrosión cáustica bajo tensión del Inconel tratándolo térmicamente a 620°C a 705°C, dependiendo de la temperatura de tratamiento de solución previa, pero otros problemas que se han observado con el Inconel incluyen desgaste, abolladuras en tubos, picado y ataque intergranular.
Resumen
La información importante en esta sección se resume a continuación:
Resumen de Corrosión
- La corrosión es el deterioro natural de un metal en el que los átomos metálicos dejan el metal o forman compuestos en presencia de agua o gases. La corrosión general puede minimizarse mediante el uso de materiales resistentes a la corrosión y la adición de recubrimientos y revestimientos protectores.
- La corrosión galvánica ocurre cuando metales disímiles existen a diferentes potenciales eléctricos en presencia de un electrolito. La corrosión galvánica puede reducirse mediante el diseño cuidadoso y la selección de materiales, y el uso de ánodos de sacrificio.
- La corrosión localizada puede ser especialmente dañina en presencia de otras fuerzas destructivas como el estrés, la fatiga y otras formas de ataque químico.
- El agrietamiento por corrosión bajo tensión ocurre en los límites de grano bajo tensión de tracción. Se propaga a medida que el estrés abre grietas que están sujetas a corrosión, debilitando finalmente el metal hasta el fallo. Los medios efectivos para reducir el SCC son 1) diseño adecuado, 2) reducción del estrés, 3) eliminación de agentes corrosivos y 4) evitar áreas de concentración de iones de cloruro e hidróxido.
- La corrosión por cloruros bajo tensión ocurre en aceros inoxidables austeníticos bajo tensión de tracción en presencia de oxígeno, iones de cloruro y alta temperatura. Se controla mediante la eliminación de oxígeno e iones de cloruro en el entorno y el uso de aceros de bajo carbono.
- Los problemas que ocurren con el uso de Inconel incluyen agrietamiento por corrosión cáustica bajo tensión, desgaste, abolladuras en tubos, picado y ataque intergranular. La resistencia del Inconel al agrietamiento por corrosión cáustica bajo tensión puede mejorarse mediante tratamiento térmico.