Agrietamiento por corrosión en tuberías de acero inoxidable: Análisis de expertos | MachineMFG

Agrietamiento por corrosión en tuberías de acero inoxidable: Análisis de expertos

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Gracias a su excelente resistencia a la corrosión, el acero inoxidable 304 encuentra una amplia aplicación en equipos y piezas que exigen buenas propiedades globales, como conformabilidad y resistencia a la corrosión. Se emplea ampliamente en diversas industrias, como equipos químicos y recipientes a presión, entre otras.

Lectura relacionada: Calidades de acero inoxidable

La tubería de ácido sulfúrico de una planta de fertilizantes conecta la salida (0,82 MPa) de la bomba de ácido sulfúrico con el reactor.

La bomba tiene un caudal de 14 m3/h, una altura de 63 m, una concentración de ácido sulfúrico de 93,5% y funciona a temperatura normal.

La tubería se sustituyó en 2016, pero tras dos años de uso, había fugas de líquido en la soldadura de la tubería de descarga en la entrada y salida de la bomba, así como en la brida de cuello alto en la interfaz del manómetro.

Tras la limpieza y la prueba de líquidos penetrantes de la pared de la tubería, se descubrieron grietas (véase la Fig. 1).

Según los datos originales, el tubo de acero está hecho de Acero inoxidable 304tiene un diámetro de DN50 y un espesor de pared de 3,5 mm.

Tras la soldadura, se realizó la prueba de penetración, y el resultado fue satisfactorio.

Al cortar y tomar muestras de la tubería de acero, se descubrió que la filtración se localiza en la zona de soldadura, donde se encontraron grietas.

Fig. 1 Posición de agrietamiento y morfología de la tubería de ácido sulfúrico

Para identificar la causa del agrietamiento por corrosión y prevenir el riesgo de que se repita, este artículo pretende analizar la composición química, el microscopio metalográfico y el microscopio electrónico de barrido de la tubería de acero inoxidable averiada. Al hacerlo, podemos determinar la causa raíz del fallo y sugerir medidas preventivas eficaces.

1. Método de ensayo

(1) Análisis de la composición química

El espectrómetro de lectura directa ARL-4460 se utiliza para detectar la composición química del metal base y de la soldadura de la tubería de acero inoxidable, con el fin de determinar si cumplen los requisitos de la norma.

(2) Análisis microscópico metalográfico

Corte una muestra del punto de penetración del líquido como se muestra en la figura 1c. La muestra debe incluir el metal base, la soldadura y la zona afectada por el calor. A continuación, realice el esmerilado previo, el esmerilado basto, el esmerilado fino y el pulido de la muestra.

Después, utilice un microscopio metalográfico OLYMPUS-GX51 para observar cualquier no metálico inclusiones presentes en la muestra. A continuación, grabar la muestra con una solución acuosa de cloruro férrico y ácido clorhídrico. Por último, observe la estructura de la muestra al microscopio metalográfico, como se muestra en la figura 2.

Fig. 2 muestra metalográfica

(3) Análisis SEM

Con unos alicates hidráulicos, rasgue la muestra a lo largo de la grieta y, a continuación, escanee y observe la superficie de la grieta con el microscopio electrónico de barrido de emisión de campo térmico Hitachi S-3400. A continuación, realice un análisis del espectro de energía con un espectrómetro de energía EDAX.

2. 2. Resultados y discusión

(1) Análisis de la composición química

La tabla 1 muestra la composición química del metal base y de la soldadura de un tubo de acero inoxidable.

Como muestra la tabla 1, la composición química del tubo de acero inoxidable adquirido por la empresa es inferior a la norma tanto en el metal base como en el metal de soldadura. Sin embargo, el contenido de otros elementos cumple los requisitos de la norma.

El cromo (Cr) es el principal elemento resistente a la corrosión del acero inoxidable. Cuando el contenido de Cr es bajo, la resistencia a la corrosión del acero inoxidable disminuye.

Cuadro 1 Composición química del acero inoxidable Materiales de la tubería (Fracción de masa (%)

ElementoCSiMnPSCrNi
GB/T4237-2015≤0.07≤0.75≤2.00≤0.045≤0.03017.50~19.508.0~10.5
Base metálica0.070.390.990.0330.01117.3610.14
Cordón de soldadura0.070.401.000.0300.01316.8510.03

(2) Análisis microscópico metalográfico

Inicialmente, el espécimen se sometió a pulido mecánicoy la distribución de las inclusiones no metálicas se observó al microscopio sin grabado.

Tras la observación, se comprobó que había pocas inclusiones no metálicas, pero sí inclusiones únicas de gran tamaño, calificadas como Ds2 (véase la Fig. 3a).

La presencia de inclusiones no metálicas puede alterar la continuidad de la matriz, disminuir sus propiedades mecánicas y aumentar su susceptibilidad a las fracturas.

Las inclusiones no metálicas también pueden reducir el espesor de la película pasiva (película de óxido) formada en la superficie del sustrato de acero inoxidable, provocando primero la corrosión de la unión entre las inclusiones y el sustrato. Posteriormente, la corrosión local en la interfaz puede extenderse al sustrato, dando lugar a la corrosión por picaduras.

Además, la presencia de inclusiones no metálicas puede favorecer la fragilización de los límites de grano y corrosión intergranularreduciendo así la resistencia a la corrosión del material.

Fig. 3 Microestructura de la fractura de la probeta tras la corrosión

La muestra pulida se sometió a un grabado químico y su estructura se observó con un microscopio metalográfico.

La Fig. 3b muestra la micrografía del metal base de la muestra. La estructura es monofásica austenita (con maclas), sin que se detecten anomalías en el límite del grano. La granulometría media del metal es de grado 7.

La Fig. 3c muestra la microestructura del zona de fusión (soldadura izquierda, zona afectada por el calor derecha). Esta zona presenta una estructura normal, una buena fusión y no presenta grietas, poros u otros defectos. defectos de soldadura.

Se observa la microestructura metalográfica cerca de la grieta (zona afectada por el calor de soldadura), como se muestra en la Fig. 3d. Las microfisuras distribuidas a lo largo del límite de grano son claramente visibles, con carburo de red de grano Cr, formando una zona pobre en cromo, como se muestra en la Fig. 4.

Un contenido de cromo (fracción másica) superior a 12% produce un efecto de pasivación evidente, mejorando significativamente la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Un contenido de cromo inferior a 12% destruye el estado de pasivación, provocando una caída del potencial, y el estado de pasivación permanece en el cristal, formando una microcélula galvánica con un ánodo pequeño (zona pobre en cromo en la zona del límite de grano) y un cátodo grande (matriz). Esto acelera la corrosión del límite de grano.

La temperatura de precipitación del Cr23C6 carburo es de 450-850 ℃, que es el intervalo de temperatura de sensibilización del acero inoxidable. corrosión intergranulartambién conocido como el intervalo de temperaturas peligrosas.

Las características morfológicas anteriores muestran que existe sensibilización en esta zona después de la soldadura, lo que provoca corrosión intergranular en la zona afectada por el calor de la soldadura y reduce la resistencia a la corrosión intergranular de la zona afectada por el calor de acero inoxidable. Esta es una de las razones del agrietamiento de la tubería de acero inoxidable.

(3) Observación de la exploración de fracturas

Colocar la muestra de fractura procesada en el microscopio electrónico de barrido para realizar la observación microscópica y el análisis mediante imágenes electrónicas secundarias.

Como se muestra en la figura 4, es evidente que la fractura es irregular con numerosos productos de corrosión y grietas distribuidas en un patrón dendrítico.

Las grietas presentan características secundarias y han penetrado en la matriz del material, lo que indica que el agrietamiento por corrosión bajo tensión es la causa del fallo en el Acero inoxidable 304 tubería.

El acero inoxidable tiene una baja conductividad térmica, y la soldadura genera tensión residual debido a las altas temperaturas.

Las microfisuras de corrosión en la tubería de acero inoxidable se aceleran bajo tensión residuallo que provoca grietas por corrosión bajo tensión.

Fig. 4 Observación SEM de la morfología de la fractura

(4) Análisis del espectro energético

El espectrómetro de energía se utilizó para analizar los productos de corrosión en la superficie de fractura de la tubería de acero inoxidable. La Fig. 5 muestra los resultados del análisis del espectro de energía.

A partir del espectro de picos de difracción, es evidente que el contenido de cloro es excepcionalmente alto, lo que indica que la tubería de acero inoxidable está expuesta a un entorno de corrosión que contiene cloro.

Los tubos de acero agrietados de la planta de fertilizantes se almacenan en un lugar al aire libre.

El emplazamiento de la planta está situado en la zona costera, a sólo 1,1 km de la costa, lo que constituye un entorno atmosférico marino típico.

Durante los periodos de alta temperatura y humedad, el agua de mar se evapora en grandes cantidades, produciendo niebla salina que da lugar a una alta concentración de iones de cloruro en el aire.

El agua que contiene iones de cloruro se adsorbe en la pared exterior de la tubería de acero inoxidable, formando un medio corrosivo que corroe continuamente la tubería de acero inoxidable.

El acero inoxidable austenítico forma naturalmente una densa película de pasivación (película de óxido) en su superficie en un entorno atmosférico ordinario.

Esta película de pasivación aísla la atmósfera del contacto directo con la superficie de acero inoxidable, proporcionando una excelente resistencia a la corrosión y protección.

Aunque la película pasiva esté dañada, puede regenerarse y repararse a tiempo.

Sin embargo, los iones cloruro destruyen fácilmente la película de pasivación del acero inoxidable austenítico, lo que provoca la formación de picaduras o fosetas en la superficie y acelera la corrosión del acero inoxidable.

3. Conclusión

En este caso, el agrietamiento por corrosión de las tuberías de acero inoxidable no puede atribuirse a un único factor. Por el contrario, se debe a la acción conjunta de múltiples factores.

(1) Las inclusiones no metálicas pueden dañar la integridad de la película pasiva del superficie metálicareduciendo la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Por lo tanto, es importante controlar estrictamente las inclusiones no metálicas por debajo del nivel 1,5.

(2) El bajo contenido de Cr en el metal base y en el metal de soldadura reduce la compacidad de la película pasiva de cromo sobre la superficie del acero inoxidable. Para mejorar la calidad de los tubos de acero y los materiales de soldadura, los componentes entrantes deben someterse a pruebas estrictas para garantizar que la soldadura composición del metal no es más débil que el metal base.

Durante el proceso de soldadura, los parámetros de soldadura deben controlarse estrictamente, y el aporte de calor de soldadura debe ser lo más pequeño posible para evitar la sensibilización, que puede provocar la precipitación de Cr a lo largo del límite de grano y generar Cr23C6que provoca la corrosión intergranular del acero inoxidable.

(3) La planta de fertilizantes químicos está situada en un entorno atmosférico marino, donde el alto contenido de iones cloruro en el aire, la temperatura adecuada y la humedad aceleran la corrosión. Esto hace que la película de óxido de la superficie de acero inoxidable se dañe fácilmente, lo que provoca corrosión electroquímica.

Las microfisuras de corrosión se expanden rápidamente bajo el efecto de la tensión residual, dando lugar a la fisuración por corrosión bajo tensión.

Por lo tanto, es necesario controlar estrictamente el entorno del aire de la obra y aislar el entorno de la niebla salina (por ejemplo, pintando o añadiendo una capa protectora) para evitar los daños provocados por los iones cloruro.

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