Análisis de la resistencia a la corrosión de acero inoxidable y tubos de acero

¿Qué es la corrosión?
La corrosión es un proceso electroquímico en el que un metal reacciona con su entorno, y la degradación resultante desencadena una pérdida de propiedades del material, como resistencia mecánica, apariencia e impermeabilidad a líquidos y gases. La causa de la corrosión es la diferencia de energía entre el metal y su mineral natural. Se necesita energía para extraer cualquier metal del mineral. Este "exceso de energía" impulsa la corrosión porque el metal intentará volver a su estado natural. Electroquímicamente hablando, la corrosión es la liberación de electrones. El proceso de liberación de electrones se llama una reacción de oxidación o una reacción anódica. Sin embargo, estos electrones deben consumirse en algún lugar, por lo que debe producirse una reacción de reducción o una reacción catódica.

Los metales que se oxidan fácilmente, como el magnesio, se denominan metales no preciosos (activos), mientras que los metales más resistentes a la corrosión, como el oro y el platino, se denominan metales preciosos (inertes). En el medio, encontramos la mayoría de los metales para fines de ingeniería, como el hierro y el cobre.

Acero inoxidable y pasivación
El acero inoxidable no es un metal precioso como el oro o el platino, por su naturaleza. La resistencia a la corrosión del acero inoxidable proviene de una capa delgada invisible e insoluble de óxidos e hidróxidos de cromo y hierro, comúnmente llamada película pasiva.
Incluso si la película pasiva tiene solo unos pocos nanómetros de espesor, puede aislar efectivamente el metal que se encuentra debajo del entorno circundante, ralentizando efectivamente la reacción electroquímica que causa la corrosión, y la tasa de corrosión es mucho menor que sin una película pasiva. Otros metales (como el cromo, el aluminio y el titanio) también exhiben pasivación, y el acero inoxidable aprovecha la capacidad del cromo para pasivar.
En un entorno que contiene suficientes oxidantes, la película pasiva en la superficie del acero inoxidable se formará espontáneamente. Además, si el metal debajo de la película pasiva está expuesto debido a daños mecánicos (como arañazos), se volverá a pasivar espontáneamente. El contenido de oxígeno en el aire y la mayoría de las soluciones acuosas es suficiente para formar y mantener la película pasiva de acero inoxidable. Si la película pasiva se puede retener efectivamente, el acero inoxidable se puede usar casi permanentemente.

Corrosión uniforme
La corrosión uniforme ocurre en un ambiente donde la película pasiva es inestable, y la superficie metálica desprotegida se reduce más o menos uniformemente. La corrosión uniforme del acero inoxidable es más común en soluciones ácidas o alcalinas calientes. Además, las sales fundidas de cloruros y fluoruros también pueden causar corrosión uniforme.
En un entorno con temperatura y composición química constantes, se espera que la corrosión uniforme ocurra a una velocidad razonablemente constante. La velocidad de corrosión se puede determinar midiendo la pérdida de peso por unidad de tiempo sobre un área de superficie determinada. Esto generalmente se expresa como una pérdida de espesor a lo largo del tiempo, como mm/año. Por definición, el acero inoxidable generalmente se considera resistente a la corrosión uniforme en un entorno particular si la velocidad de corrosión no supera los 0,1mm/año.

Corrosión por picaduras y grietas
La corrosión uniforme causa una destrucción generalizada de la película pasiva, pero la corrosión por picaduras y grietas es causada por la destrucción localizada de la película pasiva. En situaciones reales, la falla por corrosión del acero inoxidable generalmente es el resultado de la corrosión localizada en lugar de la corrosión uniforme. En este caso, los pares galvánicos se forman localmente en la superficie del acero inoxidable, lo que provoca una rápida propagación de la corrosión. En comparación con la corrosión uniforme, la pérdida de peso de la corrosión localizada puede ser pequeña, y la velocidad de corrosión como indicador de la gravedad de la corrosión no está relacionada con la corrosión localizada. Por el contrario, la corrosión por picaduras y grietas se considera que es una situación de cualquiera o, y una vez que comienza la corrosión localizada, penetra rápidamente en el material y debe evitarse.
En entornos que contienen iones halógenos, como los cloruros, el acero inoxidable es particularmente susceptible a la corrosión por picaduras y grietas. Por lo tanto, los ambientes que presentan un riesgo de corrosión localizada incluyen líquidos que contienen grandes cantidades de cloruros, tales como agua de mar y diversas soluciones industriales.
La corrosión por grietas se produce en las grietas y otros espacios confinados, así como en los depósitos formados durante el uso. En ambientes acuosos, las reacciones químicas que ocurren naturalmente en la superficie del acero inoxidable consumen oxígeno. En la solución estancada dentro de la grieta, el suministro de nuevos oxidantes es limitado. La composición de la solución dentro de la grieta se vuelve gradualmente diferente de la solución circundante. Esta diferencia de composición aumenta el riesgo de corrosión cuando se forma una celda de concentración.

El entorno cada vez más corrosivo finalmente rompe la película pasiva dentro de la grieta, y la pequeña área de la superficie de metal expuesta actuará como un ánodo para el área pasiva más grande alrededor de la grieta.
Al igual que con cualquier tipo de corrosión, el riesgo de corrosión por picaduras y grietas depende de factores ambientales y la resistencia a la corrosión de la aleación. Las altas concentraciones de cloruro, los bajos valores de pH y las altas temperaturas aumentan la probabilidad de corrosión por picaduras y grietas. Otros haluros, como bromuros y yoduros, también pueden causar picaduras y corrosión en grietas.

Agrietamiento por corrosión bajo tensión
El agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) es un modo de falla frágil causado por los efectos combinados de la tensión mecánica y un ambiente corrosivo. En entornos donde no se esperan picaduras, grietas o corrosión uniforme, puede causar una rápida pérdida de resistencia mecánica y puede provocar fallas catastróficas por agrietamiento, lo que la convierte en una forma oculta de corrosión. Para que se produzca el agrietamiento por corrosión bajo tensión, se deben cumplir tres requisitos:
• Material susceptible
• Entorno en el que el material es susceptible al agrietamiento por corrosión bajo tensión
• Suficiente tensión de tracción
Si se elimina uno de estos tres factores, no se producirá agrietamiento por corrosión bajo tensión. Al igual que con la corrosión por picaduras y grietas, las causas más comunes de corrosión por tensión en el acero inoxidable son soluciones que contienen cloruro y temperaturas elevadas. El riesgo de agrietamiento por corrosión bajo tensión aumenta con el aumento de las concentraciones de cloruro, el aumento de las temperaturas y la disminución del pH. La corrosión por tensión en el acero inoxidable generalmente aparece en forma de pequeñas grietas de ramificación.

Las fallas causadas por el agrietamiento por corrosión bajo tensión a menudo ocurren repentinamente y sin previo aviso debido a la rápida propagación de las grietas. En los casos más graves, la falla de un componente puede ocurrir en días o incluso horas.

Fatiga por corrosión
Cuando un material se somete a una carga cíclica, es capaz de fallar a cargas muy por debajo del esfuerzo de tracción final del material. Si el material se expone simultáneamente a un ambiente corrosivo, el fallo puede ocurrir después de un tiempo más corto, incluso a cargas más bajas. Esto es causado por un tipo de corrosión llamada fatiga por corrosión, que es similar al agrietamiento por corrosión bajo tensión y conduce a una falla frágil. Sin embargo, las grietas causadas por la fatiga por corrosión tienen menos ramificaciones. La fatiga por corrosión generalmente ocurre en ambientes a temperatura ambiente y soluciones neutras.

Corrosión intergranular
La corrosión intergranular se refiere a un tipo de corrosión local en la que los límites de grano y las partes adyacentes del material están preferentemente corroídas, mientras que los granos mismos no están corroídos o corroídos muy ligeramente, ver Figura 7. En acero inoxidable, la precipitación de carburos de cromo o fases intermetálicas puede causar corrosión intergranular. Debido al alto contenido de carbono del acero inoxidable en el pasado (0.05-0.15%), esta corrosión es potencialmente peligrosa. El uso de AOD (horno de refinación de oxígeno de argón) en el proceso de producción de acero inoxidable moderno ha reducido el contenido de carbono, por lo que la corrosión intergranular rara vez es un problema hoy en día.

Corrosión galvánica
La corrosión galvánica es la corrosión electroquímica causada por dos metales diferentes en contacto entre sí mientras están en un electrolito. Por lo general, el metal más activo (ánodo) se corroerá más severamente, mientras que el metal inerte (cátodo) está protegido. Esta corrosión galvánica es generalmente más probable que ocurra cerca de la unión de los dos metales.
Mientras los aceros inoxidables permanezcan en su estado pasivo, serán más nobles que otros materiales metálicos en la mayoría de los entornos y, por lo tanto, serán el cátodo en la mayoría de los pares galvánicos. Por otro lado, el acoplamiento resistivo con acero inoxidable puede aumentar la velocidad de corrosión de metales no preciosos, como acero con alto contenido de carbono, acero galvanizado, cobre y latón. La corrosión galvánica entre diferentes grados de acero inoxidable no suele ser un problema, siempre que cada acero inoxidable esté pasivado en el entorno específico.