Embed Size (px)
Citation preview
Estudio de un caso de falla por corrosión en equipo de procesamiento de alimentos Jorge L. Romero Hernández, Juan A. Ortiz Valera, Armando Ortiz Prado
Unidad de Investigación y Asistencia Técnica en Materiales,
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México
Circuito exterior, Ciudad Universitaria, Coyoacán, D. F., C. P. 04510, México
Teléfono: (55) 5622 -80 - 57 Fax: 5622 - 80 - 58.
E – mail [email protected]
Resumen
Se presenta el análisis de un caso de corrosión por picadura en un dispositivo de cocción para productos
alimenticios; las muestras analizadas corresponden a un acero inoxidable AISI–316, el cual se considera
óptimo para tales aplicaciones, sin embargo la severidad del daño obliga a un análisis de la falla con la
finalidad de identificar el origen de ésta y determinar las acciones correctivas pertinentes.
Abstrac
This paper presents the analysis of a case of pitting corrosion in a device for cooking foodstuffs; the samples
analyzed corresponded to a stainless steel AISI–316, which is considered optimal for this branch of industry,
however, damage severity requires a failure analysis in order to identify the source of this and determine
appropriate corrective actions.
Palabras clave: inoxidable, corrosión, picadura.
Keywords: stainless steel, corrosion, pitting.
Introducción
La elección de un acero inoxidable para atender
una aplicación en específico debe ser realizada
con base a los requisitos de propiedades
mecánicas y resistencia a la corrosión. En lo que
se refiere a este último aspecto es necesario
recordar que todos los metales y aleaciones son
susceptibles de presentar corrosión en algún
ambiente; no existe un metal o aleación indicada
para todas las aplicaciones.
En la industria alimenticia generalmente, los
procesos de transformación tienen condiciones de
operación muy particulares debido a la naturaleza
de los productos que se procesan, presentando
ambientes severos a la mayoría de los
componentes metálicos. En este rubro, los aceros
inoxidables son ampliamente utilizados debido a
su apariencia, fácil mantenimiento, costo
razonable y, sobre todo, su resistencia a la
corrosión, sin embargo, existen algunos
inconvenientes que afectan drásticamente la
integridad de estos materiales, tales como la
presencia de iones de cloruro, o bien, hipoclorito
de sodio bajo las condiciones nominales de
servicio, principalmente en condiciones de bajo
pH [1]. Es necesario no solo considerar el
ambiente generado por el producto alimenticio,
sino también los efectos producidos por las
sustancias utilizadas en la limpieza y sanitización
de las superficies metálicas. Por otra parte, la
presencia de inclusiones o impurezas en la
superficie del material, tales como sulfuros de
manganeso, los cuales resultan comunes en estos
materiales, pueden actuar como sitios de
nucleación favoreciendo el fenómeno de
corrosión.
Aunque la presencia de una capa pasiva hace muy
resistente a la corrosión a los aceros inoxidables,
dicha película es altamente susceptible a formas
localizadas de corrosión. En este sentido, la
corrosión por picadura es uno de los tipos más
severos de ataque localizado en aceros inoxidables
que pueden limitar tanto sus aplicaciones, como
su vida de servicio [2].
Caso de estudio
Se presenta un caso de corrosión en las paredes de
una cámara de conducción de vapor de agua,
adyacente a un horno de cocción de embutidos
cárnicos; se estima una temperatura promedio de
140°C y el gasto de vapor es aproximadamente 3
ton/h. Dichas paredes internas corresponden a
placa de acero inoxidable austenítico AISI 316 de
MEMORIAS DEL XVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE, 2010 MONTERREY, NUEVO LEÓN, MÉXICO
Derechos Reservados © 2010, SOMIM
ISBN: 978-607-95309-3-8
calibre 12 (lámina rolada en caliente) y forma
además un enchaquetado semicilíndrico del rotor
del horno de cocción.
El horno bajo condiciones de corrosión forma
parte de un conjunto de tres unidades de cocción,
sin embargo en los otros dos no se presentan
fenómenos corrosivos, siendo que en los tres se
tienen las mismas condiciones de operación y,
según se reporta, de material. Cabe señalar que la
falla se presento a menos de un año de operación
del horno, cuando estaba proyectado para un
mínimo de 10 años de operación continua.
Figura 1. Aspecto al interior de la cámara. Se
observa el nivel de ataque por picadura, el cual se
concentra en las zonas adyacentes a los cordones
de soldadura. En la parte inferior-derecha de la
imagen se observa el enchaquetaminto del rotor,
utilizando placa del mismo material.
a b
Figura 2. Muestra bajo estudio correspondiente a
una sección del enchaquetamiento del rotor. Se
observa una diferencia notable en el deterioro de
ambos lados de la chapa.
Análisis a bajos aumentos
En el análisis a detalle, se observa la presencia
abundante de picadura superficial en ambos lados
de la placa con gran cantidad de productos de
corrosión, siendo el caso más severo la cara
interna (Figura 3), adyacente al rotor del horno
(Figura 2b).
Figura 3. Aspecto de corrosión localizada en la
cara interna de la placa. Al lado derecho de la
imagen corresponde a un cordón de soldadura.
También se detectaron una gran cantidad de
agrietamientos superficiales, evidenciándose a
simple vista por una concentración de óxidos que
describen patrones de corrimiento (Figura 4).
Figura 4. Grietas superficiales en ambos lados de
la placa.
Análisis mediante MEB
Mediante Microscopía Electrónica de Barrido se
observa la morfología que define la corrosión por
picadura, con desprendimiento superficial
localizado, aparentemente de manera intergranular
(Figura 5).
MEMORIAS DEL XVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE, 2010 MONTERREY, NUEVO LEÓN, MÉXICO
Derechos Reservados © 2010, SOMIM
ISBN: 978-607-95309-3-8
a b
Figura 5. Condiciones de falla en la superficie de la placa. En este caso es indistinto si se trata de uno u otro
lado de la placa, siendo la cantidad de productos de corrosión la única diferencia. Se observan picaduras de
dimensiones muy variadas con algunos casos de agrietamiento superficial (b).
a b
Figura 6. En cortes transversales se observa la microestructura típica austenítica, presentandose un ataque
localizado en forma de picadura, fomentado por el ataque electroquímico (acido oxálico al 10%). Se observa
la profundidad de la picadura sin presentar el patrón de corrosión intergranular.
a b
Figura 7. En cuanto al agrietamiento superficial, se encontró que, en las grietas de mayor tamaño, la
progresión es de lado a lado, de manera ramificada y de manera, tanto inter, como trans-granular.
MEMORIAS DEL XVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE, 2010 MONTERREY, NUEVO LEÓN, MÉXICO
Derechos Reservados © 2010, SOMIM
ISBN: 978-607-95309-3-8
No obstante, la preparación metalográfica en
secciones transversales de distintas zonas descarta
la corrosión intergranular, ya que no se aprecia el
debilitamiento y separación en el límite de grano
(Figura 6), sin embargo, si se observa de manera
reiterada la presencia de grietas, típicas de la
corrosión bajo esfuerzos, en dirección
perpendicular a la superficie (Figura 7a), y en
algunos caso de manera longitudinal
(subsuperficial) (Figura 7b) y con corrimiento,
tanto inter, como trans-granular.
Análisis químico
Mediante el análisis del espectro de energía dispersa (EDAX – Energy Dispersive X Ray
Analysis), se llevó a cabo la evaluación cualitativa
del material y de los depósitos formados en la
superficie, con la finalidad de determinar la
naturaleza de estos.
Figura 8. Espectro obtenido sobre corte
transversal de la placa, en este caso la figura
representa un promedio de los análisis realizados.
Tabla 1. Promedio del porcentaje en peso de los
elementos registrados.
Elemento % Peso
C 0.2
Si 0.51
P 0.1
Mo 0.32
Cr 18.0
Mn 1.69
Fe 70.86
Ni 8.32
Total 100
Figura 9. Superficialmente se identificaron
aleatoriamente depósitos en las picaduras que
corresponden a concentraciones de NaCl.
Figura 10. Espectro obtenido en algunas
picaduras.
Tabla 2. Porcentaje en peso de los elementos
registrados.
Elemento % Peso
C 1.83
Na 8.95
Si 0.91
P 0.1
Mo 0.5
Cl 4.93
K 0.83
Cr 15.2
Mn 1.42
Fe 58.38
Ni 6.95
Total 100
MEMORIAS DEL XVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE, 2010 MONTERREY, NUEVO LEÓN, MÉXICO
Derechos Reservados © 2010, SOMIM
ISBN: 978-607-95309-3-8
Salvo las pequeñas cantidades de NaCl registradas
en los espectros obtenidos, en general se
observaron elementos típicos en los productos de
corrosión.
Resistencia a la corrosión
La resistencia a la corrosión por picadura fue
evaluada a través del ensayo de polarización
cíclica en solución 3.5% de NaCl a temperatura
ambiente (20°C) utilizando un potenciostato Gill
ACM Instruments.
Figura 11. Curva de polarización cíclica del
material bajo estudio.
Los parámetros de interés en el ensayo fueron el
potencial de picadura (Ep) y el potencial de
protección o repasivación (Epp) y el potencial de
corrosión (Ecor), los cuales presentaron valores de
159, -265 y -437 mV respectivamente, los cuales
describen un material relativamente débil frente a
fenómenos corrosivos, mientras que, además, se
muestra un área grande de histéresis que indica la
presencia de picaduras, lo cual se corrobora al
examinar la muestra ensayada.
Discusión
De acuerdo a tablas de composición de aceros
inoxidables, se reporta que para un acero inoxidable AISI 316, la composición nominal se
indica en la Tabla 3 [3], la cual presenta
diferencias con los datos mostrados en la Tabla 1,
sin embargo, se debe recordar que el muestreo se
realizo de un ensayo de carácter cualitativo, por lo
que su importancia radica en revelar la presencia
de los elementos aleantes sugiriendo una
concentración cualitativa de estos. En todo caso,
los datos obtenidos describen un acero inoxidable
austenítico con presencia de molibdeno, lo cual le
da un valor agregado en la resistencia a la
corrosión, ubicándolo en la familia de los aceros
AISI 316.
Respecto a las observaciones realizadas en el
material bajo estudio, se detectan diferentes
mecanismos de deterioro, sin embargo, resulta
predomínate la corrosión localizada o por picadura
y en algunos casos se registra una pequeña
concentración de cloruros en éstas Los agujeros o picaduras sirven como superficies anódicas y el
material hace las veces de cátodo. Generalmente
provocado por soluciones acidas.
Tabla 3. Composición nominal acero AISI 316.
Elemento % Peso
C 0.08 máx
Mn 2.0 máx
Si 1.0 máx
P 0.45 máx
S 0.03 máx
Cr 16 – 18
Mo 2 – 3
Ni 10 – 14
N 0.1 máx
Fe Resto
En este sentido, el ensayo de polarización cíclica muestra un material susceptible a la corrosión por
picaduras permaneciendo activo una vez destruida
la pasividad propiciando el crecimiento de
picaduras sin interrupción.
Por otra parte, se debe considerar que un factor de
riesgo corresponde a la continuidad e integridad
de la película pasiva [4]. Es decir, un acero
inoxidable, aún siendo de un grado inferior, es
capaz de resistir ambientes agresivos, si éste
cuenta con un adecuado tratamiento de
pasivación, por lo que la inconsistencia, o bien, la
nula presencia de una capa pasiva, define a un
material propenso a la corrosión. Como se
mencionó, el hecho de que los cloruros
penetren fácilmente la película pasiva
permiten que se presenten ataques corrosivos.
Cabe mencionar que el carbono tiene una mayor
afinidad con el cromo de la que tiene con el
MEMORIAS DEL XVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE, 2010 MONTERREY, NUEVO LEÓN, MÉXICO
Derechos Reservados © 2010, SOMIM
ISBN: 978-607-95309-3-8
hierro, en este caso estos dos elementos se
combinan fácilmente durante un proceso de
soldadura dado que necesariamente se generan
altas temperaturas [5]. En este sentido, el material
bajo estudio presenta múltiples cordones de
soldadura y una alta concentración de productos
de corrosión sobre estos. A medida que el acero se
enfría pasa a través de un rango de sensibilización
el cual se localiza entre 480 y 815°C. La
sensibilización es causada por la precipitación del
carbono que normalmente se encuentra disuelto
hacia los límites de los granos en forma de
carburo de cromo. Esta precipitación de carburos
causa a su vez una reducción del cromo en los
límites de grano. Ya que los carburos de cromo
son compuestos inestables, producen una
estructura frágil indeseable, de baja resistencia
mecánica y que es destruida con relativa facilidad
por el calor o la corrosión.
Finalmente, la muestra analizada corresponde a un
revestimiento semicilíndrico de calibre
considerable (aprox. Calibre 12 para lámina rolada
en caliente), por lo que la deformación hacia la
forma del revestimiento es susceptible de
esfuerzos residuales, lo cual desencadena la
formación de microgrietas como las presentadas
(Figura 7).
Conclusiones
El material analizado corresponde a un acero
inoxidable austenítico AISI–316 apto para las
aplicaciones a las que se expone. No obstante, la
presencia de hipocloritos de sodio presentes en las
condiciones de servicio a alta temperatura,
fomentan la degradación localizada y paulatina del
acero en cuestión [6].
La formación de grietas corresponde a una
corrosión bajo esfuerzos de la placa, debido a que,
en este caso, la placa (calibre12) fue deformada a
una configuración semicilíndrica con la finalidad
de revestir la carcasa del rotor.
En el caso de las acciones correctivas, la magnitud
del deterioro y el ramo de aplicación del
dispositivo, es altamente recomendable el
remplazo de las partes dañadas, evitando en la
medida de lo posible la utilización de cordones de
soldadura, lo cual involucra un rediseño del
conjunto evaluando la necesidad del revestimiento
de la carcasa del rotor y las condiciones de éste.
Por otra parte, cada proceso en la industria alimenticia requiere diferentes agentes de
limpieza, por lo que la formulación química de
éstos debe estar basada tanto en las condiciones
superficiales del acero, como del tipo de
contaminantes, entre otros factores. Es decir,
evitando la formación de ambientes ácidos.
Bibliografía
[1] E. Zumelzu, C. Cabezas, Observations on the
influence of cleaners on material corrosion in the
food industry, MATERIALS
CHARACTERIZATION 37:187-194 (1996),
Elsevier Science Inc.
[2] Abdullah Shahryari, et. al. Electrochemical
formation of highly pitting resistant passive films
on a biomedical grade 316LVM stainless steel
surface, Materials Science and Engineering C 28
(2008) 94–106, Elsevier Science Inc.
[3] Technical Handbook of Stainless Steels, The
Atlas Specialty Metals, July 2003.
[4] The European Stainless Steel Development
Association, Pickling and passivation of stainless
steel, Materials and their Applications Series Vol.
4, Euro Inox, Luxemburgo 2004.
[5] Stela, J., et. al., Characterization of the
sensitization degree in the AISI 304 stainless steel
using spectral analysis and conventional ultrasonic techniques, NDT&E International 42,
ScienceDirect, 2009. [6] Abou-Elazm, et. al., Correlation between the
degree of sensitization and stress corrosion
cracking susceptibility of type 304H stainless
steel, Corrosion Science 51, ScienceDirect, 2009.
MEMORIAS DEL XVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE, 2010 MONTERREY, NUEVO LEÓN, MÉXICO
Derechos Reservados © 2010, SOMIM
ISBN: 978-607-95309-3-8
