Fisuración por corrosión bajo tensión causada por la tensión desarrollada en un collar de refuerzo soldado de manera inadecuada.Un primer plano de la superficie de una tubería de acero que muestra grietas por corrosión bajo tensión (dos grupos de pequeñas líneas negras) reveladas por inspección con partículas magnéticas . Las grietas que normalmente habrían sido invisibles se pueden detectar gracias a las partículas magnéticas que se acumulan en las aberturas de las grietas. La escala en la parte inferior está en centímetros (cada división indica un milímetro).
El agrietamiento por corrosión bajo tensión ( SCC ) es el crecimiento de la formación de grietas en un ambiente corrosivo . Puede provocar fallos inesperados y repentinos de aleaciones metálicas normalmente dúctiles sometidas a esfuerzos de tracción , especialmente a temperaturas elevadas. El SCC es altamente específico químicamente en el sentido de que es probable que ciertas aleaciones experimenten SCC solo cuando se exponen a una pequeña cantidad de ambientes químicos. El entorno químico que causa SCC para una aleación determinada suele ser ligeramente corrosivo para el metal. Por lo tanto, las piezas metálicas con SCC severo pueden aparecer brillantes y relucientes, mientras están llenas de grietas microscópicas. Este factor hace que sea común que el SCC pase desapercibido antes de fallar. El SCC suele progresar rápidamente y es más común en aleaciones que en metales puros. El entorno específico es de crucial importancia, y sólo se necesitan concentraciones muy pequeñas de ciertas sustancias químicas altamente activas para producir un craqueo catastrófico, que a menudo conduce a fallas devastadoras e inesperadas. [1]
Las tensiones pueden ser el resultado de las cargas en las grietas debido a la concentración de tensiones , o pueden ser causadas por el tipo de ensamblaje o tensiones residuales de la fabricación (por ejemplo, trabajo en frío); las tensiones residuales pueden aliviarse mediante recocido u otros tratamientos superficiales. Las fallas inesperadas y prematuras de los equipos de procesos químicos, por ejemplo, debido a grietas por corrosión bajo tensión, constituyen un peligro grave en términos de seguridad del personal, las instalaciones operativas y el medio ambiente. Al debilitar la confiabilidad de este tipo de equipos, dichas fallas también afectan negativamente la productividad y la rentabilidad.
Un pH más bajo y un potencial redox aplicado más bajo facilitan la evolución y el enriquecimiento de hidrógeno durante el proceso de SCC, aumentando así la intensidad de SCC. [2]
Ciertos aceros inoxidables austeníticos y aleaciones de aluminio se agrietan en presencia de cloruros . Esto limita la utilidad del acero inoxidable austenítico para contener agua con un contenido de cloruros superior a unas pocas partes por millón a temperaturas superiores a 50 °C (122 °F);
grietas de acero dulce en presencia de álcalis (por ejemplo, grietas de calderas y grietas por corrosión bajo tensión cáustica ) y nitratos ;
Con la posible excepción de este último, que es un ejemplo especial de craqueo por hidrógeno , todos los demás muestran el fenómeno de crecimiento de grietas subcríticas , es decir, pequeños defectos superficiales se propagan (generalmente suavemente) en condiciones en las que la mecánica de fractura predice que no debería ocurrir falla. Es decir, en presencia de un corroente, las grietas se desarrollan y se propagan muy por debajo del factor de intensidad de tensión crítico ( ). El valor subcrítico de la intensidad del estrés, designado como , puede ser inferior al 1% de .
Polímeros
Un proceso similar ( craqueo por tensión ambiental ) ocurre en los polímeros , cuando los productos se exponen a solventes específicos o químicos agresivos como ácidos y álcalis . Como ocurre con los metales, el ataque se limita a polímeros específicos y sustancias químicas concretas. Por tanto, el policarbonato es sensible al ataque de los álcalis, pero no de los ácidos. Por otro lado, los poliésteres se degradan fácilmente con los ácidos y el SCC es un probable mecanismo de falla . Los polímeros son susceptibles al agrietamiento por tensión ambiental donde los agentes atacantes no necesariamente degradan los materiales químicamente.El nailon es sensible a la degradación por ácidos, un proceso conocido como hidrólisis , y las molduras de nailon se agrietarán cuando sean atacadas por ácidos fuertes.
Primer plano del conector de tubería de combustible de nailon roto causado por SCC
Por ejemplo, la superficie de fractura de un conector de combustible mostró el crecimiento progresivo de la grieta desde el ataque del ácido (Ch) hasta la cúspide final (C) del polímero. En este caso el fallo se produjo por la hidrólisis del polímero por contacto con el ácido sulfúrico que se escapaba de la batería de un coche . La reacción de degradación es la inversa de la reacción de síntesis del polímero:
Se pueden formar grietas en muchos elastómeros diferentes por el ataque del ozono , otra forma de SCC en los polímeros. Pequeños rastros del gas en el aire atacarán los dobles enlaces en las cadenas de caucho, siendo el caucho natural , el caucho de estireno-butadieno y el caucho de nitrilo-butadieno los más sensibles a la degradación. Las grietas de ozono se forman en productos bajo tensión, pero la tensión crítica es muy pequeña. Las grietas siempre están orientadas en ángulo recto con respecto al eje de deformación, por lo que se forman alrededor de la circunferencia en un tubo de goma doblado. Estas grietas son peligrosas cuando se producen en tuberías de combustible porque crecerán desde las superficies exteriores expuestas hasta el orificio de la tubería, por lo que pueden producirse fugas de combustible y un incendio. El agrietamiento por ozono se puede prevenir agregando antiozonantes al caucho antes de la vulcanización . Las grietas por ozono se observaban habitualmente en los flancos de los neumáticos de los automóviles , pero ahora son raras gracias al uso de estos aditivos. Por otro lado, el problema se repite en productos desprotegidos, como tubos y sellos de caucho.
Cerámica
Este efecto es significativamente menos común en las cerámicas que suelen ser más resistentes al ataque químico. Aunque los cambios de fase son comunes en las cerámicas bajo tensión, generalmente resultan en endurecimiento en lugar de falla (consulte Dióxido de circonio ). Estudios recientes han demostrado que la misma fuerza impulsora de este mecanismo de endurecimiento también puede mejorar la oxidación del óxido de cerio reducido, lo que resulta en un crecimiento lento de grietas y falla espontánea de cuerpos cerámicos densos. [3]
Vaso
Se ilustran regiones de diferente propagación de grietas bajo corrosión bajo tensión. En la región I, la propagación de grietas está dominada por el ataque químico de los enlaces tensos en la grieta. En la región II, la propagación está controlada por la difusión del producto químico dentro de la grieta. En la región III, la intensidad del estrés alcanza su valor crítico y se propaga independientemente de su entorno.
La propagación de grietas subcríticas en los vidrios se divide en tres regiones. En la región I, la velocidad de propagación de grietas aumenta con la humedad ambiental debido a la reacción química potenciada por la tensión entre el vidrio y el agua. En la región II, la velocidad de propagación de la grieta está controlada por difusión y depende de la velocidad a la que los reactivos químicos pueden transportarse hasta la punta de la grieta. En la región III, la propagación de grietas es independiente de su entorno, habiendo alcanzado una intensidad de tensión crítica. Otras sustancias químicas además del agua, como el amoníaco, pueden inducir la propagación de grietas subcríticas en el vidrio de sílice, pero deben tener un sitio donador de electrones y un sitio donador de protones . [4]
Prevención
Las tensiones residuales de compresión impartidas por el granallado con láser se controlan con precisión tanto en ubicación como en intensidad y se pueden aplicar para mitigar transiciones bruscas en regiones de tracción. El granallado con láser imparte tensiones residuales de compresión profunda del orden de 10 a 20 veces más profundas que el granallado convencional, lo que los hace significativamente más beneficiosos para prevenir el SCC. [5] El granallado por láser se utiliza ampliamente en las industrias aeroespacial y de generación de energía en motores de turbina alimentados por gas. [6]
Selección de materiales: Elegir el material adecuado para un entorno específico puede ayudar a prevenir el SCC. En ambientes corrosivos se deben utilizar materiales con mayor resistencia a la corrosión y al agrietamiento por corrosión bajo tensión. Por ejemplo, utilizar acero inoxidable en lugar de acero al carbono en un entorno marino puede reducir la probabilidad de SCC. [7]
Recubrimientos protectores: La aplicación de un recubrimiento o barrera protectora puede ayudar a evitar que sustancias corrosivas entren en contacto con la superficie del metal, reduciendo así la probabilidad de SCC. Por ejemplo, el uso de un recubrimiento epóxico en la superficie interior de una tubería puede reducir la probabilidad de SCC. [7]
Protección catódica: La protección catódica es una técnica utilizada para proteger los metales de la corrosión aplicando una pequeña corriente eléctrica a la superficie del metal. Esta técnica también puede ayudar a prevenir el SCC al reducir el potencial de corrosión del metal. [7]
Controles ambientales: controlar el entorno alrededor del metal puede ayudar a prevenir el SCC. Por ejemplo, reducir la temperatura o la acidez del ambiente puede ayudar a prevenir el SCC. [7]
Inspección y mantenimiento: las inspecciones y el mantenimiento regulares pueden ayudar a detectar SCC antes de que cause una falla. Esto incluye inspecciones visuales, pruebas no destructivas y monitoreo de factores ambientales. [7]
Un gasoducto de 32 pulgadas de diámetro, al norte de Natchitoches, Luisiana , perteneciente al Gasoducto Tennessee, explotó y se quemó a partir de SCC el 4 de marzo de 1965, matando a 17 personas. Al menos otras nueve personas resultaron heridas y siete casas a 450 pies de la ruptura quedaron destruidas. [8] [9]
El SCC provocó el catastrófico colapso del Silver Bridge en diciembre de 1967, cuando un puente colgante con forma de barra que cruzaba el río Ohio en Point Pleasant , Virginia Occidental , falló repentinamente. La unión de la cadena principal falló y toda la estructura cayó al río, matando a 46 personas que viajaban en vehículos por el puente. El óxido en la junta del ojo había provocado una grieta por corrosión bajo tensión, que se volvió crítica debido a la alta carga del puente y la baja temperatura. El fallo se vio agravado por un alto nivel de tensión residual en la barra del ojo. El desastre provocó una reevaluación de los puentes a nivel nacional. [10]
Periscopio submarino USS Hartford : En 2009, el periscopio del submarino USS Hartford falló debido a un SCC. El periscopio se utiliza para proporcionar una vista de la superficie mientras el submarino está sumergido. El fallo se produjo cuando el periscopio se extendió a través del casco del submarino, provocando que agua de mar entrara en el sello del periscopio. El agua de mar provocó que se produjera SCC en la estructura de soporte de acero del periscopio, lo que provocó que el periscopio cayera nuevamente dentro del submarino. Afortunadamente no hubo heridos, pero el submarino tuvo que ser puesto fuera de servicio para ser reparado. [11]
Oleoducto Trans-Alaska : En 2001, una sección del Oleoducto Trans-Alaska falló debido a SCC. El oleoducto se utiliza para transportar petróleo crudo desde la vertiente norte de Alaska hasta la terminal marítima de Valdez. La falla ocurrió cuando una sección de 34 pies del oleoducto se rompió, provocando un derrame de más de 285,000 galones de petróleo crudo. La investigación sobre la falla encontró que se había producido SCC en la tubería debido a la presencia de agua y bacterias, que habían creado un ambiente corrosivo. [12]
Vuelo 243 de Aloha Airlines : En 1988, el vuelo 243 de Aloha Airlines experimentó una falla parcial del fuselaje debido a un SCC. El Boeing 737-200 volaba de Hilo a Honolulu, Hawaii, cuando una sección del fuselaje se rompió, provocando un evento de descompresión. La investigación sobre la falla encontró que se había producido SCC en el revestimiento de aluminio del fuselaje debido a los repetidos ciclos de presurización y despresurización de la aeronave. El incidente provocó cambios en los procedimientos de mantenimiento e inspecciones de las aeronaves para evitar fallos similares en el futuro. [13]
Ver también
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la categoría: Fisuración por corrosión bajo tensión.
Química forense : aplicación forense del estudio de la química.
Ingeniería forense – Investigación de fallas asociadas a la intervención judicial
^ ASM International, Manual de metales (edición de escritorio) Capítulo 32 (Análisis de fallas), Sociedad Estadounidense de Metales
^ Gu, B.; Luo, J.; Mao, X. (enero de 1999). "Fisuración por corrosión bajo tensión de tipo disolución anódica facilitada por hidrógeno de aceros para tuberías en una solución de pH casi neutro". Corrosión . 55 (1): 96-106. doi : 10.5006/1.3283971. ISSN 0010-9312. Archivado desde el original el 21 de febrero de 2023 . Consultado el 21 de febrero de 2023 .
^ Munnings, C.; Badwal, SPS; Fini, D. (20 de febrero de 2014). "Oxidación espontánea inducida por estrés de iones Ce en ceria dopada con Gd a temperatura ambiente". Iónicos . 20 (8): 1117-1126. doi :10.1007/s11581-014-1079-2. S2CID 95469920.
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^ "EPRI | Resultados de la búsqueda: confiabilidad del compresor: tratamiento de superficies de granallado por impacto con láser". Archivado desde el original el 6 de diciembre de 2022 . Consultado el 21 de febrero de 2023 .
^ Crooker, Paul; Sims, William (9 de junio de 2011). "Granallado para mitigación de PWSCC en aleación 600" (PDF) . nrc.gov . Archivado (PDF) desde el original el 6 de octubre de 2022 . Consultado el 1 de junio de 2022 .
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Fuentes
ASM International, Metals Handbook (edición de escritorio) Capítulo 32 (Análisis de fallas), Sociedad Estadounidense de Metales, (1997) págs. 32–24 a 32-26
Manual de ASM Volumen 11 "Análisis y prevención de fallas" (2002) "Grietas por corrosión bajo tensión" Revisado por WR Warke, Sociedad Estadounidense de Metales. Páginas 1738-1820
ASTM (5 de noviembre de 2018). "ASTM G36-94 (2018) Práctica estándar para evaluar la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión de metales y aleaciones en una solución hirviendo de cloruro de magnesio". astm.org . Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2022 . Consultado el 1 de junio de 2022 .
"Propiedades mecánicas de la cerámica" de John B. Wachtman, W. Roger Cannon y M. John Matthewson. Capítulo 8.
