Agrietamiento por corrosión bajo tensión causado por la tensión desarrollada en un collar de refuerzo soldado de forma inadecuadaPrimer 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.
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 en el acero dulce en presencia de álcalis (por ejemplo, grietas en calderas y grietas por corrosión bajo tensión cáustica ) y nitratos ;
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:
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
Las tensiones residuales de compresión que se generan mediante el granallado láser se controlan con precisión tanto en ubicación como en intensidad y se pueden aplicar para mitigar transiciones abruptas hacia regiones de tracción. El granallado láser genera tensiones residuales de compresión profundas del orden de 10 a 20 veces más profundas que el granallado convencional, lo que lo hace significativamente más beneficioso para prevenir el SCC. [5] El granallado láser se utiliza ampliamente en las industrias aeroespacial y de generación de energía en motores de turbina alimentados con gas. [6]
Selección de materiales: Elegir el material adecuado para un entorno específico puede ayudar a prevenir la formación de grietas por corrosión bajo tensión. En entornos 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 formación de grietas por corrosión bajo tensión. [7]
Recubrimientos protectores: la aplicación de un recubrimiento o barrera protectora puede ayudar a evitar que las sustancias corrosivas entren en contacto con la superficie metálica, lo que reduce la probabilidad de que se produzcan caries dentales. Por ejemplo, el uso de un recubrimiento de epoxi en la superficie interior de una tubería puede reducir la probabilidad de que se produzcan caries dentales. [7]
Protección catódica: La protección catódica es una técnica que se utiliza para proteger los metales de la corrosión mediante la aplicación de una pequeña corriente eléctrica a la superficie del metal. Esta técnica también puede ayudar a prevenir la corrosión catódica al reducir el potencial de corrosión del metal. [7]
Controles ambientales: controlar el entorno que rodea al metal puede ayudar a prevenir la caries dental. Por ejemplo, reducir la temperatura o la acidez del entorno puede ayudar a prevenir la caries dental. [7]
Inspección y mantenimiento: Las inspecciones y el mantenimiento periódicos pueden ayudar a detectar el SCC antes de que provoque una falla. Esto incluye inspecciones visuales, pruebas no destructivas y monitoreo de factores ambientales. [7]
El 4 de marzo de 1965 , un gasoducto de 32 pulgadas de diámetro perteneciente al Tennessee Gas Pipeline explotó y se incendió en SCC, matando a 17 personas. Al menos otras 9 personas resultaron heridas y 7 casas a 450 pies de la ruptura fueron destruidas. [8] [9]
El SCC provocó el catastrófico colapso del Puente Silver en diciembre de 1967, cuando un puente colgante de barra de ojo que cruzaba el río Ohio en Point Pleasant , Virginia Occidental , falló repentinamente. La junta de la cadena principal falló y toda la estructura cayó al río, matando a 46 personas que viajaban en vehículos a través del puente. El óxido en la junta de la barra de ojo había provocado una grieta por corrosión bajo tensión, que se volvió crítica como resultado de la alta carga del puente y la baja temperatura. La falla se vio exacerbada por un alto nivel de tensión residual en la barra de ojo. El desastre llevó a una reevaluación nacional de los puentes. [10]
Periscopio del submarino USS Hartford : En 2009, el periscopio del submarino USS Hartford falló debido a una SCC. El periscopio se utiliza para proporcionar una vista de la superficie mientras el submarino está sumergido. La falla se produjo cuando el periscopio se extendió a través del casco del submarino, lo que provocó que el agua de mar entrara en el sello del periscopio. El agua de mar provocó que se produjera una SCC en la estructura de soporte de acero del periscopio, lo que provocó que el periscopio cayera de nuevo al submarino. Afortunadamente, no hubo heridos, pero el submarino tuvo que ser retirado del servicio para reparaciones. [11] [12]
Oleoducto Trans-Alaska : En 2001, una sección del oleoducto Trans-Alaska falló debido a la SCC. El oleoducto se utiliza para transportar petróleo crudo desde la vertiente norte de Alaska hasta la terminal marítima de Valdez. La falla se produjo cuando una sección de 34 pies del oleoducto se rompió, lo que provocó un derrame de más de 285.000 galones de petróleo crudo. La investigación sobre la falla determinó que la SCC se había producido en el oleoducto debido a la presencia de agua y bacterias, que habían creado un entorno corrosivo. [13]
Vuelo 243 de Aloha Airlines : En 1988, el vuelo 243 de Aloha Airlines sufrió una falla parcial del fuselaje debido a una SCC. El Boeing 737-200 volaba de Hilo a Honolulu, Hawái, cuando una sección del fuselaje se rompió, lo que provocó un evento de descompresión. La investigación sobre la falla encontró que la SCC se había producido en la piel 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 fallas similares en el futuro. [14]
Véase también
Wikimedia Commons tiene contenido multimedia sobre Agrietamiento por corrosión bajo tensión.
Química forense – Aplicación forense del estudio de la química
Ingeniería forense – Investigación de fallas asociadas a la intervención legal
^ "Capítulo 32: Análisis de fallas". Manual de metales (edición de escritorio). Sociedad Estadounidense de Metales.
^ 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 .
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Fuentes
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Manual ASM Volumen 11 "Análisis y prevención de fallas" (2002) "Agrietamiento 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 a la corrosión bajo tensión y al agrietamiento de metales y aleaciones en una solución de cloruro de magnesio en ebullición». astm.org . Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2022 . Consultado el 1 de junio de 2022 .
Wachtman, John B.; Cannon, W. Roger; Matthewson, M. John. "Capítulo 8". Propiedades mecánicas de la cerámica .
