Agrietamiento por corrosión bajo tensión en intercambiadores de calor

El agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) es un tipo de fractura que ocurre en los metales debido a una combinación de tensión de tracción y residual en un entorno corrosivo. Esto puede ocurrir en materiales de acero inoxidable, titanio e Inconel, afectando cualquier número de tubos en un recipiente. La falla de los tubos relacionada con el agrietamiento por corrosión bajo tensión a menudo dará lugar a la sustitución de los mismos, ya que el tubo suele ser demasiado frágil para ser tapado o reparado por otros medios.

Hay dos tipos de agrietamiento por corrosión bajo tensión: el intergranular, cuando las grietas se desarrollan a lo largo de los límites de los granos, y el transgranular, donde la grieta se forma a través de los granos del material. Las figuras 1 y 2 ilustran cada tipo de agrietamiento por corrosión bajo tensión en acero inoxidable.

Figura 1. Agrietamiento por corrosión bajo tensión intergranular.

Tornillo de válvula de ventilación SS.

Crédito: Ediciones Lavoisier

Figura 2. Agrietamiento por corrosión bajo tensión transgranular.

Tubería 316SS.

Crédito: AMPP y Rimkus

Existen muchas fuentes diferentes de tensión residual en la fabricación de intercambiadores de calor, incluidas la soldadura, el recorte de tubos y la expansión de tubos. Además, el intercambiador también experimentará estrés adicional durante el funcionamiento debido a ciclos térmicos, fluctuaciones de presión y vibraciones.

Hay dos indicadores de estrés en los metales: la dureza y las bandas de corte. La expansión del tubo altera la estructura del grano a través de la deformación plástica, lo que produce cierto grado de cambio de dureza en todos los metales. El cambio de dureza es más pronunciado en materiales endurecidos por trabajo, como el acero, con mayor contenido de níquel y cromo, y el titanio.

El corte por bandas es otro método para determinar cuánta tensión se le aplicó a un metal. Las bandas de corte son una característica microestructural que se desarrolla en los granos como resultado de la deformación y aumenta con el grado de deformación. Un estudio de 2013 realizado por Bai et al. demostró una correlación entre el aumento de las bandas de corte y el agrietamiento por corrosión bajo tensión, particularmente en el acero inoxidable de la serie 300. Las bandas de corte se presentan como líneas que aparecen dentro de los límites del grano, como se ilustra en la Figura 4.

Figura 3. Área no deformada de acero inoxidable 304.

Figura 4. Área deformada de acero inoxidable 304.

El agrietamiento por corrosión bajo tensión comienza en áreas donde la combinación de tensión y un entorno corrosivo es más severa. Este agrietamiento localizado puede provocar:

• Fugas en los tubos: Las grietas pueden penetrar la pared del tubo y crear una ruta de fuga.
• Transferencia de calor reducida: Las grietas pueden interrumpir el flujo de fluidos, disminuyendo la eficiencia del intercambiador.
• Fallo catastrófico: En casos graves, el SCC puede provocar la ruptura completa del intercambiador de calor, causando daños importantes y posibles riesgos de seguridad.

Si bien no existe garantía de prevenir el agrietamiento por corrosión bajo tensión, hay medidas que se pueden tomar para reducir la probabilidad de que ocurra.

Selección de materiales

Se deben considerar materiales con mayor resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, como aceros inoxidables con bajo contenido de carbono, aceros inoxidables dúplex y aleaciones de níquel, según el entorno corrosivo específico del intercambiador de calor.

Alivio del estrés

Optimizar el proceso de fabricación para minimizar la introducción de tensión residual puede ayudar a reducir la probabilidad de que se produzca SCC.

Monitoreo de la corrosión

Se pueden emplear inspecciones regulares y métodos de pruebas no destructivas (END), como pruebas por corrientes de Foucault o ultrasónicas, para detectar signos tempranos de agrietamiento.

La falla prematura de los tubos es una de las principales causas de tiempo de inactividad en el campo. Reducir cualquier posibilidad de falla de los tubos puede ayudar a reducir el tiempo de inactividad y los costos. Como el agrietamiento por corrosión bajo tensión puede afectar a varios tubos simultáneamente, mitigar su aparición reduce significativamente los costos asociados con las reparaciones de emergencia o los esfuerzos de reentubado.

Manténgase atento a la segunda parte de esta serie que investiga el impacto de los métodos de expansión de tubos en el agrietamiento por corrosión bajo tensión.

Referencias:

Bai, T., Chen, P. y Guan, K.S. (2019). ¿Cómo se comportan las aleaciones de níquel e Inconel en medios cáusticos? Heanjia Super Metals Co. Ltd. https://super-metals.com/news/how-do-nickel-and-inconel-alloys-perform-in-caustic-media/