Corrosión / selección de materiales

Este Documento de Medidas Técnicas cubre la corrosión de materiales y la selección de materiales de construcción. Se hace referencia a los códigos de práctica y normas pertinentes.

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La corrosión es la principal causa individual de avería de plantas y equipos en las industrias de proceso. Para la mayoría de las aplicaciones, es posible seleccionar materiales de construcción que sean completamente resistentes al ataque de los fluidos del proceso, pero el costo de tal enfoque a menudo es prohibitivo. En la práctica, es habitual seleccionar materiales que se corroen lentamente a un ritmo conocido y tener esto en cuenta al especificar el espesor del material. Sin embargo, una proporción significativa de fallas por corrosión ocurren debido a alguna forma de corrosión localizada, lo que resulta en fallas en un tiempo mucho más corto de lo que se esperaría de un desperdicio uniforme. Además, es importante tener en cuenta que la corrosión atmosférica externa conduce a muchos casos de pérdida de contención y tiende a ser un problema mayor que la corrosión interna. Todos estos aspectos del comportamiento corrosivo deben abordarse tanto en el momento del diseño de la planta como durante la vida útil de la planta.

El operador debe demostrar que existen procedimientos para garantizar que la corrosión y la selección de los materiales de construcción correctos se consideren en la etapa de diseño del proceso. Además, el operador debe demostrar que cuenta con programas de inspección y mantenimiento apropiados para evitar la corrosión que causa la pérdida de contención de sus operaciones de proceso. Al hacerlo, se debe considerar lo siguiente:

La corrosión en los componentes metálicos ocurre cuando los metales puros y sus aleaciones forman compuestos estables con el fluido del proceso por reacción química o procesos electroquímicos que dan como resultado un desperdicio de la superficie. Se puede permitir una corrosión apreciable para tanques y tuberías si se anticipa y se permite en el espesor de diseño, pero esencialmente no se puede permitir corrosión en pantallas de alambre de malla fina, placas de orificio y otros elementos en los que los pequeños cambios en las dimensiones son críticos. Las tasas de corrosión pueden verse muy afectadas por los cambios de temperatura y, si bien un material de construcción puede ser adecuado a una temperatura, puede no serlo para su uso a una temperatura más alta con el mismo fluido de proceso.

La corrosión de materiales no metálicos es esencialmente un proceso fisicoquímico que se manifiesta como hinchamiento, agrietamiento o reblandecimiento del material de construcción. En muchos casos, los materiales no metálicos resultarán atractivos desde el punto de vista económico y de rendimiento.

El uso de varias sustancias como aditivos para procesar corrientes para inhibir la corrosión ha encontrado un uso generalizado y generalmente es económicamente más atractivo en los sistemas de recirculación; sin embargo, también se ha encontrado que es atractivo en algunos sistemas de un solo paso, como los que se encuentran en la industria del petróleo. Los inhibidores típicos que se usan para prevenir la corrosión del hierro o el acero en soluciones acuosas son los cromatos, fosfatos y silicatos. En soluciones ácidas son efectivos los sulfuros orgánicos y las amidas.

Existen muchas formas de corrosión localizada que pueden conducir a fallas prematuras del equipo. La prevención de la corrosión debe abordarse en la etapa de diseño mecánico y el diseño adecuado para minimizar la corrosión local debe incluir drenaje libre y completo, minimización de grietas, ausencia de puntos muertos en las tuberías y facilidad de limpieza e inspección. En esta sección se analizan brevemente algunos de los tipos más comunes de corrosión local.

Las picaduras a menudo ocurren cuando ciertas impurezas, como los cloruros, están presentes en las corrientes de proceso y las aguas de enfriamiento. Esta es una forma extrema de corrosión localizada. Una vez iniciadas, las picaduras suelen autoacelerarse y pueden provocar fallas rápidas.

Muchos metales sufren agrietamiento por corrosión bajo tensión bajo ciertas condiciones. En tuberías, las fallas más frecuentes por agrietamiento por corrosión bajo tensión ocurren con aceros inoxidables austeníticos en contacto con soluciones que contienen cloruro. Incluso pequeñas cantidades de cloruros pueden causar problemas a temperaturas superiores a 60°C.

La corrosión por grietas puede ocurrir cuando el líquido queda atrapado entre superficies metálicas ajustadas, o entre una superficie metálica y un material no metálico, como una junta. Se debe prestar atención a los detalles en la etapa de diseño y fabricación en áreas como las juntas para evitar la corrosión por grietas.

La erosión localizada puede ocurrir donde la orientación del equipo hace que las velocidades del fluido se aceleren, como en las curvas. Algunos productos químicos pueden manejarse en tuberías de acero al carbono porque forman recubrimientos protectores de compuestos férricos en las tuberías. Es necesario un diseño cuidadoso para garantizar que el revestimiento no se erosione.

La corrosión de la superficie exterior o la oxidación de las tuberías se produce por la formación de óxidos de hierro. Pintar con las especificaciones adecuadas extenderá significativamente el período hasta el inicio de la corrosión, pero la durabilidad del acabado de la pintura depende en gran medida de la calidad de la preparación de la superficie. El aislamiento instalado incorrectamente puede proporcionar las condiciones ideales para la corrosión y debe impermeabilizarse o protegerse de la humedad y los derrames para evitar el contacto del material húmedo con las superficies del equipo. La aplicación de un revestimiento impermeable, como betún, al exterior de la tubería es beneficiosa en algunas circunstancias.

La protección catódica es un método electroquímico de control de la corrosión que ha encontrado una amplia aplicación en la protección de estructuras subterráneas de acero al carbono, como tuberías y tanques, contra la corrosión del suelo. La superficie metálica del equipo de proceso se convierte en cátodo en un circuito electrolítico para evitar el desperdicio de metal.

La protección anódica se usa con menos frecuencia y se basa en un sistema de control de potencial externo para mantener el metal en una condición pasiva. Esta forma de protección contra la corrosión ha encontrado aplicación práctica en la industria de fabricación de ácido sulfúrico.

Las tasas de corrosión se expresan en términos de pulgadas por año de desperdicio de superficie y se utilizan para proporcionar un margen de corrosión en el espesor de diseño de equipos como recipientes y tuberías. Los operadores a menudo usarán datos basados ​​en la experiencia histórica de las operaciones de la planta para ayudarlos a determinar los permisos de corrosión apropiados. Alternativamente, los gráficos de corrosión están ampliamente disponibles que brindan tasas de corrosión para muchas combinaciones de materiales de construcción y fluidos de proceso y normalmente se proporcionará un rango de valores para varias temperaturas de proceso. En algunos casos, particularmente cuando hay una mezcla de productos químicos presentes, es posible que no existan datos apropiados y que se necesiten pruebas de corrosión para determinar la idoneidad del equipo. Los operadores deben poder demostrar el uso de tolerancias de corrosión en la especificación y el diseño del equipo. Las fuentes de datos utilizadas deben ser rastreables.

Si bien los aceros al carbono e inoxidable son materiales de construcción comúnmente utilizados, cada vez se utilizan más equipos de proceso no metálicos y revestidos o plásticos. La selección del material de construcción debe tener en cuenta las condiciones del proceso en el peor de los casos que pueden ocurrir en condiciones de alteración previsibles y debe aplicarse a todos los componentes, incluidas válvulas, accesorios de tubería, instrumentos y manómetros. Tanto la composición (por ejemplo, cloruros, humedad) como las desviaciones de temperatura pueden tener un efecto directo significativo en la tasa de corrosión. El operador debe demostrar que existen procedimientos para garantizar que las posibles desviaciones en las condiciones del proceso, como la temperatura, la presión y la composición del fluido, sean identificadas por personas competentes y evaluadas en relación con la selección de materiales de construcción para los sistemas de tuberías.

Hay una amplia gama de plásticos disponibles para usar como materiales de construcción y se pueden usar en áreas como el manejo de soluciones de sal inorgánica donde los metales no son adecuados. El uso de revestimientos de plástico está muy extendido en equipos como tanques, tuberías y tambores. Sin embargo, su uso está limitado a temperaturas moderadas y, por lo general, no son adecuados para su uso en tareas abrasivas. Algunos de los plásticos más utilizados son el PVC, el PTFE y el polipropileno.

Los vidrios especiales se pueden unir al acero, proporcionando un revestimiento impermeable. Los equipos revestidos de vidrio o 'epoxi' se usan ampliamente en tareas con ácidos severamente corrosivos. El revestimiento de vidrio se puede dañar fácilmente y se requiere atención cuidadosa. Es poco probable que los recubrimientos delgados similares a la pintura brinden una protección completa debido a los defectos y los revestimientos de barrera más confiables son aquellos que se construyen en múltiples capas a una profundidad de alrededor de 3 mm.

Normalmente, las pruebas se llevan a cabo para determinar la idoneidad de un material de construcción para manejar un fluido de proceso. Sin embargo, las pruebas se pueden utilizar para diferentes propósitos. Por lo general, esto podría ser para justificar una frecuencia de inspección modificada del equipo en una planta existente.

Hay una variedad de métodos de prueba disponibles. Por lo general, las muestras de prueba que consisten en pequeñas tiras o "cupones" del material de interés se exponen al fluido del proceso. Se mide la pérdida de peso de la muestra de prueba durante un período de tiempo para determinar la tasa de corrosión. Las pruebas se pueden realizar en la planta, en el laboratorio o en un plan piloto, según la situación.

Cuando las pruebas de laboratorio se llevan a cabo utilizando métodos de prueba estándar, existen dificultades para interpretar los resultados y traducirlos al rendimiento de la planta. Se requiere cuidado para garantizar que el fluido de prueba sea exactamente el mismo que en la planta de proceso. Las discrepancias en las condiciones de prueba, como trazas de impurezas, gases disueltos, velocidad y turbulencia, pueden generar resultados erróneos.

Los equipos de proceso que manejan materiales peligrosos deben inspeccionarse con frecuencia, tanto interna como externamente. La corrosión localizada puede ser impredecible y pueden presentarse defectos de fabricación, como soldaduras deficientes. Los revestimientos pueden deformarse o dañarse. Normalmente, el revestimiento de vidrio de un reactor encamisado puede sufrir un choque térmico o puede producirse una descarga estática a través del revestimiento. La frecuencia de la inspección se puede modificar una vez que se ha creado un historial de inspección y se puede predecir razonablemente la condición de una pieza del equipo. El operador debe demostrar que cuenta con programas de inspección y mantenimiento para equipos de procesos peligrosos, incluidos los sistemas de revestimiento. Cuando el equipo esté revestido, se deben realizar pruebas de continuidad eléctrica para detectar defectos en el revestimiento cuando corresponda. Los sistemas de protección catódica y anódica deben revisarse regularmente para garantizar una protección continua.

Cuando el control de la corrosión dependa de la concentración de contaminantes o de la humedad, el operador debe demostrar que existen los procedimientos y los controles necesarios para mantener una condición de operación segura. De manera similar, cuando se agregan inhibidores o se utilizan sistemas como la protección catódica, el operador debe demostrar que estos sistemas se inspeccionan y mantienen adecuadamente para garantizar la protección continua del proceso.

El caudal de cloro líquido a través de las tuberías de acero al carbono está restringido a 2 m/s para evitar eliminar la capa de cloruro férrico de la superficie de la tubería que protege contra la erosión/corrosión del acero al carbono. El gas de cloro húmedo corroe el acero dulce. Para esta tarea se utiliza PVDF (preferiblemente), ebonita o acero revestido de caucho. El cloro gaseoso manipulado a temperaturas superiores a 200 °C en acero al carbono puede provocar incendios de cloro/acero. Se puede usar zinc para esta tarea, pero para cloro a baja temperatura (por ejemplo, líquido) se requieren aceros especiales para evitar la fragilización. El titanio no es adecuado para el servicio de cloro y debe evitarse.

La susceptibilidad de los materiales de construcción al ataque del bromo depende en gran medida de las condiciones de servicio, incluidas la temperatura, la presión y el contenido de humedad. Por lo tanto, siempre que sea posible, los materiales seleccionados para uso con bromo deben probarse en las condiciones reales de uso.

Los recipientes de almacenamiento se construyen comúnmente de acero revestido con plomo, PVDF (y algunos otros fluoropolímeros) o vidrio. Si el bromo está 'seco', entonces se puede usar níquel o aleaciones como Monel y Hastelloy, aunque todos son susceptibles a un ataque severo en presencia de bromo húmedo. El titanio no es adecuado para el trabajo con bromo (húmedo o seco) y debe evitarse.

El plomo se usa para revestir recipientes de almacenamiento de acero y, con menor frecuencia, para revestir tuberías, pero con un alto contenido de humedad y/o temperaturas elevadas, la capa protectora de bromuro de plomo que se forma en la superficie del metal es susceptible de degradarse. Los revestimientos no metálicos que incluyen vidrio y ciertos polímeros de fluorocarbono, incluidos PVDF y PTFE, han reemplazado al plomo en la mayoría de las aplicaciones. Los polímeros procesados ​​por fusión como PVDF, PFA y ETFE son preferibles al PTFE debido a su porosidad inherente.

Pocos metales son adecuados para su uso en contacto con bromo 'húmedo' (contenido de humedad superior a 30 mg/kg). El niobio, el tantalio y las aleaciones de estos dos metales son adecuados, pero su alto costo restringe su uso (por ejemplo, discos de ruptura y componentes de instrumentos).

La protección contra la corrosión de los recipientes de acero dulce se produce mediante la formación de una capa de sulfato de hierro. Cualquier condición que conduzca a una turbulencia excesiva puede provocar la eliminación del revestimiento y la corrosión. La corrosión acelerada también puede ocurrir en las interfases aire/ácido debido a la dilución interfacial. Además, la influencia de la temperatura en la velocidad de corrosión varía con diferentes concentraciones de ácido y, en consecuencia, es necesario definir las temperaturas máximas de funcionamiento. El plomo químico a veces se usa cuando el acero no es adecuado y se pueden usar PVC o plásticos de fluorocarbono en ciertas aplicaciones. Los aceros inoxidables especialmente desarrollados han reemplazado las aplicaciones tradicionales de hierro fundido para tareas de alta temperatura.

Este ácido es muy corrosivo para la mayoría de los metales y aleaciones comunes. Esto se agrava cuando hay aireación o contaminación por agentes oxidantes. El cobre es particularmente propenso a este problema. También se producen muchas fallas debido a la presencia de impurezas menores como el cloruro férrico. Los plásticos y el acero revestido de caucho se utilizan ampliamente para tuberías y recipientes pequeños.

Los materiales de construcción para el amoníaco dependen de la temperatura de funcionamiento. Si bien se puede usar acero dulce a temperatura ambiente, se requieren aceros especiales a bajas temperaturas para evitar la fragilización. Las impurezas en el amoníaco líquido, como el aire o el dióxido de carbono, pueden provocar el agrietamiento por corrosión bajo tensión del acero dulce. El amoníaco es altamente corrosivo para el cobre y el zinc.

El almacenamiento a granel de ácido al 70 % o más puede realizarse en tanques de acero dulce o PVDF. El polietileno, el polipropileno y el PVDF se utilizan comúnmente para la construcción de componentes principales. El PTFE se usa a menudo para componentes más pequeños, como juntas. Nunca se debe utilizar vidrio o PRFV.

Los materiales adecuados para el servicio de oxígeno líquido son el acero al níquel, los aceros inoxidables austeníticos y las aleaciones de cobre o aluminio. Los aceros al carbono y los plásticos son quebradizos a bajas temperaturas y no deben usarse con oxígeno líquido. El PTFE es el sellador más utilizado.

A temperaturas por debajo de 120°C, el acero al carbono se puede utilizar hasta altas presiones. A temperaturas elevadas y presiones significativas, el hidrógeno penetrará en el acero al carbono y reaccionará con el carbono para formar metano. Esto da como resultado una pérdida de ductilidad y agrietamiento o formación de ampollas en el acero. Para aplicaciones de alta temperatura, las aleaciones de acero que contienen molibdeno y acero son satisfactorias.

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