Para los ingenieros de fabricación y profesionales de control de calidad responsables de calentadores eléctricos de inmersión en servicio de ácido sulfúrico, la fijación de bridas de montaje y accesorios a la funda de acero inoxidable 316 requiere soldadura. El calor de la soldadura puede causar sensibilización-la precipitación de carburos de cromo en los límites de los granos en la zona-afectada por el calor. El 316 sensibilizado pierde su resistencia a la corrosión y se vuelve susceptible a la corrosión intergranular, que ataca preferentemente los límites de los granos, provocando una rápida pérdida de material y una posible falla del calentador. El espesor de la pared de la funda influye tanto en la velocidad de enfriamiento después de la soldadura como en la necesidad de recocido posterior a la soldadura. Este artículo identifica el umbral de concentración de ácido sulfúrico específico en el que una funda 316 de 1,2 mm requiere recocido posterior a la soldadura para evitar el ataque de corrosión intergranular.
Mecanismo de sensibilización y corrosión intergranular en 316
Cuando el acero inoxidable 316 se calienta a temperaturas entre 450 grados y 850 grados -el rango de sensibilización-los carburos de cromo precipitan en los límites de los granos. Esta precipitación agota el cromo en las regiones adyacentes a los límites de los granos, dejándolas con menos del 12% de cromo requerido para la formación de película pasiva. En un ambiente corrosivo, estas zonas empobrecidas en cromo-se corroen preferentemente, provocando un ataque a los límites de grano y una eventual pérdida de material. Para una vaina de pared delgada-de 1,2 mm, la velocidad de enfriamiento después de la soldadura es rápida porque la baja masa térmica permite que el calor se disipe rápidamente. Una pared delgada se enfría desde la temperatura de soldadura hasta menos de 450 grados en segundos, pasando un tiempo mínimo en el rango de sensibilización. Para una vaina de paredes gruesas-por encima de 3 mm, la velocidad de enfriamiento es más lenta, lo que aumenta el riesgo de sensibilización. Sin embargo, para una pared de 1,2 mm, la velocidad de enfriamiento suele ser lo suficientemente rápida como para evitar la sensibilización en condiciones estándar de soldadura por arco de tungsteno con gas. El factor crítico no es sólo el espesor de la pared sino el contenido de carbono del material 316. El 316L con bajo contenido de carbono (0,03 % de carbono como máximo) es altamente resistente a la sensibilización independientemente del espesor de la pared. El estándar 316 (máximo 0,08 % de carbono) puede sensibilizar si el enfriamiento es demasiado lento.
Concentración crítica de ácido sulfúrico para detectar sensibilización
La corrosión intergranular en 316 sensibilizado es más agresiva en concentraciones específicas de ácido sulfúrico. La prueba de Strauss (ASTM A262 Práctica E) utiliza ácido sulfúrico al 16% hirviendo con sulfato de cobre para detectar sensibilización. En servicio, el ataque intergranular ocurre más fácilmente en concentraciones de ácido sulfúrico entre 10% y 40% a temperaturas superiores a 50 grados. Por debajo del 10%, el ácido no es lo suficientemente agresivo como para atacar preferentemente los límites de los granos. Por encima del 40%, el ácido se vuelve oxidante y vuelve a pasivar la superficie, ocultando la sensibilización. Para una vaina 316 de 1,2 mm que funciona en ácido sulfúrico, el umbral de concentración para el riesgo de corrosión intergranular es aproximadamente del 15 al 25 % a temperaturas de 60 a 80 grados. Por debajo del 15%, una vaina sensibilizada puede sobrevivir durante años sin un ataque visible. Por encima del 25%, la naturaleza oxidante del ácido puede suprimir el ataque intergranular, aunque las picaduras se convierten en una preocupación. En el rango crítico del 15 al 25 %, una vaina sensibilizada puede perder entre 0,5 y 2,0 mm de material por año a lo largo de los límites de los granos, penetrando una pared de 1,2 mm en cuestión de meses. Por lo tanto, para aplicaciones con concentraciones de ácido sulfúrico entre 15 % y 25 % a temperaturas superiores a 50 grados, se recomienda encarecidamente el recocido posterior a la soldadura, a menos que se utilice 316L.
Matriz de requisitos de recocido para vainas 316 soldadas
La siguiente tabla proporciona recomendaciones para el recocido post-soldadura de vainas 316 de 1,2 mm según la concentración de ácido sulfúrico, la temperatura de funcionamiento y el grado 316 específico utilizado. El recocido consiste en calentar el conjunto soldado a 1050 grados durante 15 minutos seguido de un enfriamiento rápido (enfriamiento con agua o gas forzado).
| Concentración de ácido sulfúrico | Temperatura de funcionamiento | Grado 316 | Publicación-¿Se requiere recocido de soldadura? | Recomendación alternativa |
|---|---|---|---|---|
| Por debajo del 10% | cualquier temperatura | 316 o 316L | No | Soldadura estándar aceptable |
| 10 – 15% | Por debajo de 60 grados | 316L | No | 316L preferido |
| 10 – 15% | Por debajo de 60 grados | 316 | No, pero se recomienda 316L | Aceptable sin recocido |
| 10 – 15% | 60 – 90 grados | 316L | No | Monitorear el ataque |
| 10 – 15% | 60 – 90 grados | 316 | Sí | Recocido o uso 316L |
| 15 – 25% | Por debajo de 50 grados | 316L | No | 316L aceptable |
| 15 – 25% | Por debajo de 50 grados | 316 | Sí | Requiere recocido |
| 15 – 25% | 50 – 80 grados | 316 o 316L | Sí | Recocido obligatorio para cualquier grado. |
| 15 – 25% | Por encima de 80 grados | Cualquier 316 | Sí, además considere mejorar la aleación. | Alto riesgo de ataque; utilizar aleación 20 |
| 25 – 40% | cualquier temperatura | Cualquier 316 | No aplicable | La sensibilización no es el principal modo de fallo; dominan las picaduras |
| Más del 40% | cualquier temperatura | Cualquier 316 | No aplicable | Ácido oxidante; ataque intergranular improbable |
Para el rango de concentración crítico de 15 a 25 % a temperaturas superiores a 50 grados, el recocido posterior a la soldadura de una funda 316 de 1,2 mm es esencial si se utiliza 316 estándar. Incluso con 316L, el recocido proporciona un margen de seguridad adicional. Sin recocido, una zona de unión de brida soldada puede desarrollar corrosión intergranular que penetra la pared delgada en 3 a 12 meses, provocando que la brida se desprenda o que la funda tenga fugas.
Consideraciones prácticas sobre el recocido para revestimientos de paredes delgadas-
El recocido posterior-soldadura de una vaina 316 de 1,2 mm presenta desafíos prácticos. La alta temperatura de 1050 grados puede provocar la oxidación del cable de resistencia interna si el conjunto no está protegido adecuadamente. El recocido debe realizarse en un horno de atmósfera controlada con argón o amoníaco disociado para evitar la oxidación. Alternativamente, el calentamiento por inducción puede recocer la zona de soldadura localmente sin calentar todo el calentador. Para los calentadores que ya han sido estampados con aislamiento de MgO, el recocido completo en horno no es posible porque el MgO se expande de manera diferente que el acero y puede agrietar la funda. Por lo tanto, el recocido debe realizarse después de la soldadura pero antes del estampado, o localizado únicamente en el área de soldadura. Los ingenieros deben especificar que cualquier soldadura en vainas 316 destinadas a un servicio con ácido sulfúrico del 15 al 25 % debe ir seguida de un recocido por inducción localizado de la zona afectada por el calor. La zona recocida debe extenderse al menos 10 mm a cada lado de la soldadura. La verificación del recocido adecuado se puede realizar utilizando un medidor de ferrita o enviando una muestra de soldadura a la prueba ASTM A262 Práctica E. Un proveedor que no pueda realizar el recocido posterior a la soldadura ni proporcionar pruebas de verificación no debe utilizarse para aplicaciones de ácido sulfúrico en el rango de concentración crítica. El costo de una sola falla por corrosión intergranular-generalmente repentina y sin previo aviso-supera con creces el costo de los procedimientos de recocido adecuados. Para instalaciones nuevas, especificar 316L en lugar del 316 estándar elimina el riesgo de sensibilización para paredes de 1,2 mm en todas las condiciones, excepto en las más agresivas, y se recomienda encarecidamente para cualquier servicio de ácido sulfúrico con una concentración superior al 10 %.
