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Agrietamiento por corrosión bajo tensión

Agrietamiento por corrosión bajo tensión causado por la tensión desarrollada en un collar de refuerzo soldado de forma inadecuada
Primer plano de la superficie de una tubería de acero que muestra grietas por corrosión bajo tensión (dos grupos de pequeñas líneas negras) reveladas mediante inspección con partículas magnéticas . Las grietas que normalmente habrían sido invisibles son detectables debido a las partículas magnéticas que se agrupan 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 entorno corrosivo . Puede provocar una falla inesperada y repentina de aleaciones metálicas normalmente dúctiles sometidas a una tensión de tracción , especialmente a temperaturas elevadas. El SCC es altamente específico químicamente en el sentido de que ciertas aleaciones probablemente experimenten SCC solo cuando se exponen a una pequeña cantidad de entornos químicos. El entorno químico que causa SCC para una aleación determinada es a menudo uno que es solo levemente corrosivo para el metal. Por lo tanto, las piezas metálicas con SCC grave pueden parecer brillantes y relucientes, mientras que están llenas de grietas microscópicas. Este factor hace que sea común que el SCC pase desapercibido antes de la falla. El SCC a menudo progresa rápidamente y es más común entre las aleaciones que en los metales puros. El entorno específico es de importancia crucial, y solo se necesitan concentraciones muy pequeñas de ciertos productos químicos altamente activos para producir un agrietamiento catastrófico, que a menudo conduce a una falla devastadora e inesperada. [1]

Las tensiones pueden ser el resultado de las cargas de 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 de superficie. La falla inesperada y prematura de los equipos de procesos químicos, por ejemplo, debido a la corrosión bajo tensión, constituye un grave peligro en términos de seguridad del personal, las instalaciones operativas y el medio ambiente. Al debilitar la confiabilidad de este tipo de equipos, tales fallas también afectan negativamente la productividad y la rentabilidad.

Mecanismos

La corrosión bajo tensión afecta principalmente a metales y aleaciones metálicas . Un efecto comparable, también conocido como corrosión bajo tensión ambiental, también afecta a otros materiales como polímeros , cerámicas y vidrio .

Rieles

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]

Con la posible excepción de este último, que es un ejemplo especial de agrietamiento por hidrógeno , todos los demás muestran el fenómeno del crecimiento de grietas subcríticas , es decir, pequeños defectos superficiales se propagan (generalmente de manera suave) en condiciones en las que la mecánica de fractura predice que no debería ocurrir una falla. Es decir, en presencia de un corrosivo, las grietas se desarrollan y propagan muy por debajo del factor de intensidad de tensión crítica ( ). El valor subcrítico de la intensidad de tensión, designado como , puede ser menor del 1% de .

Polímeros

Un proceso similar ( agrietamiento por tensión ambiental ) ocurre en polímeros , cuando los productos se exponen a solventes específicos o químicos agresivos como ácidos y álcalis . Al igual que con los metales, el ataque se limita a polímeros específicos y químicos particulares. Por lo tanto, el policarbonato es sensible al ataque de álcalis, pero no de ácidos. Por otro lado, los poliésteres se degradan fácilmente por ácidos, y el SCC es un mecanismo de falla probable. 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 de un 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 ácido (Ch) hasta la cúspide final (C) del polímero. En este caso, la falla fue causada por la hidrólisis del polímero por contacto con ácido sulfúrico que se filtraba de una batería de automóvil . La reacción de degradación es la inversa de la reacción de síntesis del polímero:

Agrietamiento por ozono en tubos de caucho natural

Las grietas se pueden formar en muchos elastómeros diferentes por ataque de ozono , otra forma de SCC en polímeros. Minúsculas trazas del gas en el aire atacarán los enlaces dobles 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 deformación crítica es muy pequeña. Las grietas siempre están orientadas en ángulos rectos con respecto al eje de deformación, por lo que se formarán alrededor de la circunferencia en un tubo de caucho doblado. Tales grietas son peligrosas cuando se producen en tuberías de combustible porque las grietas crecerán desde las superficies expuestas externas hacia el orificio de la tubería, por lo que pueden producirse fugas de combustible e incendios. El agrietamiento por ozono se puede prevenir agregando antiozonantes al caucho antes de la vulcanización . Las grietas de ozono se veían comúnmente en las paredes laterales de los neumáticos de los automóviles , pero ahora se ven raramente 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 cerámicas que son típicamente más resistentes al ataque químico. Aunque los cambios de fase son comunes en cerámicas bajo estrés, estos generalmente resultan en endurecimiento en lugar de falla (ver dióxido de circonio ). Estudios recientes han demostrado que la misma fuerza impulsora para 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 las uniones deformadas en la grieta. En la región II, la propagación está controlada por la difusión de la sustancia química en la grieta. En la región III, la intensidad de la tensión alcanza su valor crítico y se propaga independientemente de su entorno.

La propagación de grietas subcríticas en 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 entre el vidrio y el agua, potenciada por la tensión. En la región II, la velocidad de propagación de grietas está controlada por la 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, ya que ha alcanzado una intensidad de tensión crítica. Los productos químicos distintos 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

Fallos notables

El puente Silver derrumbado , visto desde el lado de Ohio

Véase también

Referencias

Notas
  1. ^ "Capítulo 32: Análisis de fallas". Manual de metales (edición de escritorio). Sociedad Estadounidense de Metales.
  2. ^ Gu, B.; Luo, J.; Mao, X. (enero de 1999). "Corrosión bajo tensión de tipo disolución anódica facilitada por hidrógeno en aceros de 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 2023-02-21 . Consultado el 2023-02-21 .
  3. ^ 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". Ionics . 20 (8): 1117–1126. doi :10.1007/s11581-014-1079-2. S2CID  95469920.
  4. ^ Wachtman, John B.; Cannon, W. Roger; Matthewson, M. John (11 de septiembre de 2009). Propiedades mecánicas de la cerámica (2.ª ed.). John Wiley and Sons. doi :10.1002/9780470451519. ISBN 9780471735816.
  5. ^ "EPRI | Resultados de búsqueda: Confiabilidad del compresor: Tratamiento de superficies mediante granallado por láser". Archivado desde el original el 2022-12-06 . Consultado el 2023-02-21 .
  6. ^ Crooker, Paul; Sims, William (9 de junio de 2011). "Peening 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 .
  7. ^ abcde "Agrietamiento por corrosión bajo tensión asistido por irradiación", Agrietamiento por corrosión bajo tensión , ASM International, págs. 191-220, 1 de enero de 2017, doi :10.31399/asm.tb.sccmpe2.t55090191, ISBN 978-1-62708-266-2, OSTI  7010172 , consultado el 26 de abril de 2023
  8. ^ Orden de acción correctiva relativa al oleoducto TGP 100 (PDF) (Informe). Administración de Seguridad de Materiales Peligrosos y Oleoductos del Departamento de Transporte de los Estados Unidos. 3 de diciembre de 2010. Archivado desde el original (PDF) el 26 de diciembre de 2016.
  9. ^ "Mueren 17 personas al explotar una tubería de gas". The Washington Observer . 5 de marzo de 1965. Archivado desde el original el 2021-11-02 . Consultado el 21 de febrero de 2023 .
  10. ^ Lewis, Peter Rhys; Reynolds, Ken; Gagg, Colin (29 de septiembre de 2003). Ingeniería de materiales forenses . CRC Press. doi :10.1201/9780203484531. ISBN 978-0-203-48453-1.
  11. ^ Hsu, Jeremy (23 de marzo de 2009). "El periscopio del USS Hartford se rompe y cae en un submarino". Live Science .[ verificación fallida ]
  12. ^ Grogan, Jennifer (17 de noviembre de 2009). "Informe: la tripulación del submarino provocó la colisión del Hartford". The Day .
  13. ^ Busenberg, George J. (septiembre de 2011). "La dinámica política del sistema de oleoductos Trans-Alaska". Review of Policy Research . 28 (5): 401–422. doi :10.1111/j.1541-1338.2011.00508.x. ISSN  1541-132X.
  14. ^ Hong-bing, Du; Qing-qing, Zhang (junio de 2015). "Simulación del efecto de la inversión en seguridad en el nivel de seguridad de vuelo en las aerolíneas". Conferencia internacional sobre información y seguridad del transporte (ICTIS) de 2015. IEEE. págs. 780–786. doi :10.1109/ictis.2015.7232149. ISBN . 978-1-4799-8694-1.S2CID2908608  .​
Fuentes