Oxidación y corrosión de metales a altas temperaturas es la degradación química de metales y aleaciones que reaccionan directamente con gases calientes, formando capas de óxido, sulfuro o carburo que o bien protegen el metal o permiten que se deteriore.
Determina la vida útil de componentes en hornos, calderas, turbinas de gas, reformadores y puntas de quemadores, donde la falla está gobernada por la química del gas y la temperatura más que por un electrolito acuoso.
Entender cómo se forma una escala protectora y por qué finalmente falla es fundamental para seleccionar aleaciones y recubrimientos que sobrevivan la vida útil prevista.
A elevada temperatura, una superficie metálica reacciona con el oxígeno para crecer una capa de óxido. Si esa capa protege depende de su continuidad y adherencia. Un primer indicador útil es la relación de Pilling-Bedworth (PBR), el volumen de óxido formado por volumen de metal consumido.
Una PBR por debajo de 1 da una película porosa y no protectora; una PBR entre aproximadamente 1 y 2 tiende a dar una escala densa y adherente; muy por encima de 2 la escala está muy tensionada y es proclive a agrietarse.
Las escalas protectoras se engrosan por difusión lenta a través del óxido, por lo que el crecimiento sigue una ley parabólica: la velocidad disminuye a medida que la escala se hace más gruesa.
Los tres óxidos que importan industrialmente son cromia, alúmina y sílice, porque cada uno crece lentamente, es adherente y es estable en un amplio rango.
Una escala protectora sólo resulta útil mientras permanezca intacta. El ciclaje térmico, la deformación mecánica y la erosión agrietan o hacen descamar el óxido, exponiendo el metal desnudo que se reoxida rápidamente.
Si la aleación subyacente ya no puede suministrar suficiente cromo o aluminio para reparar una escala continua, se pierde la protección y la reacción se acelera, a menudo cambiando de cinética parabólica a lineal. Esta reacción desbocada se denomina oxidación por desprendimiento, y consume rápidamente el espesor de sección.
Los componentes finos, los bordes afilados y las piezas sometidas a enfriamientos repetidos son los más en riesgo porque el reservorio de cromo o aluminio es limitado y cada evento de descamación lo agota más.
Pequeñas adiciones de elementos reactivos como itrio, cerio o hafnio mejoran la adherencia de la escala y retrasan notablemente el desprendimiento.
La oxidación rara vez actúa sola. Los gases de proceso introducen azufre, carbono y depósitos fundidos que atacan las mismas aleaciones por vías distintas. La sulfidación forma sulfuros metálicos que crecen mucho más rápido que los óxidos y pueden producir eutécticos de bajo punto de fusión; las aleaciones ricas en níquel son especialmente vulnerables porque el eutéctico níquel-sulfuro se funde cerca de 645 °C. La carburización y su forma agresiva a baja temperatura, el metal dusting, desintegran el metal en coque y partículas finas en gases ricos en carbono. La corrosión en caliente (ataque por sales fundidas) fluxa la escala protectora bajo depósitos de sulfato de sodio o vanadato.
| Mecanismo | Entorno típico | Mitigación principal |
|---|---|---|
| Oxidación | Aire, O2, CO2 o vapor por encima de ~500 °C | Aleaciones formadoras de cromia, alúmina o sílice; recubrimientos aluminizados |
| Oxidación por desprendimiento | Ciclado térmico, secciones delgadas, agotamiento de Cr | Reservorio adecuado de Cr/Al; adiciones de elementos reactivos (Y, Ce, Hf) |
| Sulfidación | H2S, SO2 en gases de combustión y de proceso | Aleaciones ricas en Cr; limitar Ni en servicios con alto contenido de azufre; recubrimientos |
| Carburización / metal dusting | CO e hidrocarburos, ~450 a 800 °C | Aleaciones formadoras de alúmina o con alto Si; dosificación de azufre en trazas |
| Corrosión en caliente (Tipo I / II) | Depósitos fundidos de Na2SO4 o V2O5, 650 a 950 °C | Tratamiento del combustible; aleaciones ricas en Cr; recubrimientos de sobrecapa MCrAlY |
El comportamiento protector se diseña añadiendo elementos que forman preferentemente una escala de crecimiento lento. El cromo es el elemento principal: aproximadamente 18 a 25 por ciento proporciona una escala continua de cromia eficaz hasta unos 900 °C, por encima de los cuales la cromia puede volatilizarse, particularmente en gases húmedos.
El aluminio forma alúmina, la más estable de las tres, extendiendo la protección por encima de 1000 °C y sustentando las aleaciones austeníticas formadoras de alúmina y las FeCrAl. El silicio ayuda a ambas formando una fina subcapa de sílice que ralentiza la difusión, aunque un exceso de silicio perjudica la soldabilidad.
Verificar que el material instalado cumple realmente con el contenido especificado de cromo y aluminio es una comprobación rutinaria de integridad, mejor confirmada mediante identificación positiva de materiales en lugar de asumirlo por la documentación.
El ataque a alta temperatura se concentra en hornos de recalentamiento y reformadores, sobrecalentadores de calderas, recuperación de calor residual, secciones calientes de turbinas de gas, y puntas de quemadores e incineradores.
La mitigación sigue tres palancas: selección de aleación para ajustar la química del gas y la temperatura del metal; recubrimientos por difusión o de sobrecapa para añadir un reservorio sacrificial de aluminio o cromo; y control de la atmósfera para mantener las actividades de oxígeno, azufre y carbono dentro de límites seguros.
Los recubrimientos por difusión como el aluminizado por empaquetado, el cromizado y el siliconizado enriquecen la superficie, mientras que las sobrecapas MCrAlY y los recubrimientos térmicos de zirconia estabilizada con itria protegen las palas de turbina.
Las superficies externas también se degradan cuando las líneas calientes están aisladas, por lo que un programa que combine comprobaciones de la aleación en la cara caliente con atención a la corrosión bajo aislamiento y la inspección periódica de recubrimientos ofrece la imagen más completa de la vida restante.
Registrar el espesor de la escala, el estado del recubrimiento y las temperaturas del metal en un calendario de mantenimiento convierte inspecciones aisladas en un conjunto de datos con tendencia.
Una plataforma como Fabrico puede almacenar esos registros de inspección y activar la próxima evaluación antes de que se produzca el desprendimiento; puedes reservar una demostración de Fabrico para ver cómo.
La oxidación es la reacción directa con un gas para formar una escala sólida de óxido. La corrosión en caliente implica un depósito de sal fundida, típicamente sulfato de sodio o vanadato, que disuelve o fluxa la escala protectora, por lo que la pérdida de metal es mucho más rápida y localizada.
La escala protectora enmascara la verdadera velocidad de reacción mientras se mantiene. Una vez que la aleación ya no puede reparar una escala descamada o agrietada, se expone el metal desnudo y la cinética cambia de parabólica a casi lineal, por lo que la transición parece abrupta aunque el agotamiento haya sido gradual.
La alúmina es la más estable y de crecimiento más lento, ofreciendo la mejor protección por encima de 1000 °C. La cromia es efectiva hasta alrededor de 900 °C pero puede volatilizarse en gases más calientes, húmedos o de alta velocidad.
Mayor cromo mejora la resistencia a la oxidación y la sulfidación hasta cierto punto, pero en condiciones fuertemente carburizantes o de metal dusting una aleación formadora de alúmina o con alto silicio suele comportarse mejor, por lo que la atmósfera debe orientar la elección.
Iniciar sesión
Blog
