Presentamos un análisis profundo sobre el control de las fallas en el diseño de estructuras.
por Abel De La Cruz*
Con frecuencia, los recubrimientos aplicados a estructuras expuestas a la atmósfera experimentan fallos prematuros debidos a la falta de precaución en cuanto al diseño estructural o a factores metalmecánicos, desde el punto de vista de protección contra la corrosión.
Es muy común que el responsable del diseño o de la supervisión durante la construcción metalmecánica no repare en las zonas más críticas y vulnerables durante la vida en servicio de la estructura, por ello si la protección anticorrosiva se inicia en la ingeniería del proyecto, la responsabilidad en cuanto a la calidad de la fabricación metalmecánica estará en manos del constructor.
Al deterioro de la pintura se continúa con la corrosión del metal base, por lo que la estabilidad mecánica de una estructura con problemas de fabricación en lo referente al riesgo por el ataque corrosivo, puede verse seriamente comprometida.
Es por eso, que cuando se trata de las construcciones metal mecánicas debemos tener en cuenta los criterios básicos sobre el diseño de estructuras de acero que se van a recubrir con sistemas de pinturas y de esta forma evitar la aparición prematura de problemas de corrosión y la degradación del recubrimiento y de la estructura, es así como la Norma ISO 12944-3 "Consideraciones sobre el Diseño" nos brinda la información sobre los diferentes tipos de diseños apropiados también de prácticas no recomendables, indicando además cómo pueden ser evitados antes de la aplicación y el mantenimiento con pinturas. La misma norma contempla las consideraciones sobre el diseño que facilitan la manipulación y transporte de estructuras de acero.
Otra fuente de información con recomendaciones y requerimientos técnicos de diseño estructural para la construcción de tanques sujetos a inmersión con alto riesgo de ataque por corrosión, nos lo brinda la Norma NACE RP 0178-95: "Fabrication Details, Surface Finish Requirements and Proper Design Considerations for Tank and Vessels to Be Lined for Immersion Service" donde se hace referencia precisamente a las zonas vulnerables como uniones de piezas metálicas, técnicas de soldado, precauciones en la calidad de los cordones de soldadura, etc.
Entre las zonas con mayor posibilidad de ataque corrosivo debido a las características de fabricación de una estructura, tanque, equipo, etc. se destacan:
- Zonas del cordón de soldadura en general.
- Salpicaduras de soldadura, soldaduras por puntos discontinuidades e imperfecciones, intersticios, cavidades que permitan la retención de humedad y contaminantes.
- Áreas de difícil acceso para el pintado.
- Uniones bimetálicas o pares galvánicos.
- Zonas de retención de agua, humedad, contaminantes en general.
- Zonas con un mal diseño en la unión de piezas metálicas.
- Bordes ó filos agudos, etc.
- De los mencionados problemas de corrosión en soldadura nos ocuparemos en este artículo.
Por ello, es común ver a lo largo de la vida de las instalaciones pintadas en inmersión o no inmersión, que las zonas de especial mantenimiento por el deterioro prematuro son las áreas soldadas o los cordones de soldadura, y en un análisis de fallas, comúnmente son estas zonas el origen de la corrosión del metal base.
Algunos de los factores que directa o indirectamente, agravan la corrosión de las soldaduras son:
Posible diferencia de composición y potencial electroquímico entre metal que constituye la soldadura y el metal base (corrosión galvánica).
Estructura metalográfica de la soldadura y el metal vecino a ella.
La presencia de discontinuidades e imperfecciones del cordón de soldadura que permite la facilidad de acumulación de agua ó humedad, partículas de polvo y demás contaminantes.
Peculiar geometría de la unión soldada.
Presencia de tensiones mecánicas.
Corrosión Galvánica
En la soldadura por fusión se generan una serie de diferencias estructurales, que se extienden desde el depósito solidificado al metal base a través de una zona afectada térmicamente (Fig. I - ver en edición impresa o digital). Es importante entonces que la composición química del producto de aporte sea muy próximo a la del material base, en cuyo caso no es normal que se presenten problemas importantes de corrosión galvánica o bimetálica. No obstante, pueden manifestarse estos en medio de agresividad elevada, a causa de una moderada diferencia de potencial electroquímico resultado de cambios locales de estructuras, de tensiones introducidas durante el proceso de unión o de que se hayan "quemado" en parte determinados elementos aleantes.
En la soldadura blanda o fuerte suelen existir considerables diferencias de potencial electroquímico entre el material base y el de aporte. La situación plantea graves problemas cuando el metal de la soldadura, de marcada diferencia de compasión del material base, es, al mismo tiempo más activo (comportamiento anódico en una pila de corrosión). En tal caso, es probable que la elevada relación área catódica/área nódica motive un fuerte ataque de la soldadura, capaz de producir el fallo catastrófico de la estructura (Fig. 2 - ver en edición impresa o digital).
A fin de evitar tal peligro, se procura escoger un material de aporte que sea más noble (catódico) que el metal base. La soldadura blanda, con aleaciones de aporte basadas generalmente en el sistema estaño-plomo, actúa catódicamente frente a los materiales férreos, por lo que no constituye mayor riesgo de corrosión galvánica. En el caso de la soldadura fuerte de los aceros al carbono y de baja aleación, los materiales de aporte son invariablemente nobles frente al acero base (pequeño cátodo frente a gran ánodo), siendo entonces, poco probable los problemas de corrosión galvánica. Recordemos que la corrosión galvánica se agrava o se hace intensa cuando hay un gran cátodo frente a un pequeño ánodo.
Corrosión, concentración y por aireación
Diferencias de concentración en la solución electrolítica en contacto con la superficie metálica causan el funcionamiento de pilas de concentración o de aireación diferencial si la sustancia disuelta es el oxígeno del aire. Tales diferencias suelen estar motivadas por la presencia de resquicios, por depósitos porosos o mal adheridos sobre el metal, entrantes profundos (rugosidades y pliegues), etc. a los que el oxígeno tiene difícil acceso (por difusión), o en los que se produce un agotamiento o acumulación de ciertos productos o iones.
En las soldaduras este tipo de corrosión provoca un relleno deficiente, incompleta penetración en la raíz del cordón, irregularidades diversas, asperezas del cordón de soldaduras, socavaduras, porosidades, grietas, salpicaduras de soldadura porosas y mal adheridas sobre el metal etc. zonas propicias todas ellas a la penetración y condensación de la humedad, para el funcionamiento de las pilas de corrosión en metales expuestos a la atmósfera. Los efectos de dichas pilas pueden ser agresivos ante condiciones de humectación permanente de la unión soldada.
Los resquicios debajo de las proyecciones o salpicaduras de metal y residuos de escoria procedentes de la operación de soldadura constituyen focos para el funcionamiento de las pilas de aireación diferencia. Al respecto se recomienda en la etapa de fabricación metálica, antes de la operación de preparación de la superficie, eliminar o remover completamente todos estos productos para evitar, en lo posible, los problemas de corrosión en la zona soldada.
Aunque no estrictamente ligado a la soldadura en sí, pueden presentarse un sin número de problemas de corrosión por aireación diferencial a consecuencia de un diseño insatisfactorio del acoplamiento soldado, que debería tener en cuenta el principio fundamental de evitar resquicios (pliegues, ranuras rincones) y, en definitiva, cualquier sitio donde sea difícil la renovación del medio y al que el oxígeno llegue con dificultad. Es esencial un buen drenaje y ventilación de la zona unida, que asegure la ausencia de electrolito, y ofrezca buena accesibilidad para la posterior aplicación del recubrimiento protector y las inspecciones de mantenimiento.
Debe entonces procurarse que los cordones de soldadura sean lo suficientemente lisos, sin protuberancias y resquicios asperezas, orificios, cráteres, fracturas, asperezas, salpicaduras, que son difíciles de recubrir eficientemente por un sistema de pinturas, por lo que, deberá ser tarea del inspector de control de calidad de las fabricaciones metalmecánicas, que en las uniones entre piezas estructurales la soldadura sea continua y libre de defectos para una adecuada protección anticorrosiva con recubrimientos.
En cuanto a las Especificaciones de Pintado de Protección Anticorrosiva debemos asegurar la aplicación de una capa de pintura de refuerzo (stripe coat) en dichas zonas, antes de la aplicación de la capa final del sistema de pintado, asegurándose una capa barrera de protección. El "stripe coat" hoy por hoy constituye una aplicación indispensable en todo Plan o Procedimiento de Pintado y deberá ser realizado mediante el uso de brochas que aseguren la penetración del recubrimiento en las zonas vulnerables a la oxidación prematura.
La Guía Normada para la Aplicación de Pinturas SSPC - Guía 11: "Protecting Edges, Crevices and Irregular Steel Surfaces for Stripe Coating" nos brinda la información y recomendaciones para la protección anticorrosiva de zonas vulnerables a la corrosión por efectos del diseño y fabricación metal mecánica y sobre la cual trataremos en una próxima publicación.
Por lo general en un sistema de pinturas bicapa se aplica después de la capa base anticorrosiva y antes de la capa de acabado general, una capa de pintura de acabado (adicional) específicamente en las zonas de difícil acceso, cordones de soldadura, filos, ángulos interiores, etc. Se recomienda extender la aplicación hasta 2 ó 3 cms. del área que se desea recubrir. Dicha capa deberá tener un color diferente al acabado y a la base, tal que permita ser diferenciado por el inspector de calidad y los propios operarios de aplicación.
Corrosión bajo tensión en uniones soldadas
Las dilataciones, contracciones térmicas y cambios de fase a consecuencia del proceso de soldadura dejan el metal con un sistema de tensiones residuales que, en la cercanía del cordón de soldadura, son tensiones de tracción y su magnitud puede alcanzar el límite elástico y causar hasta cierta deformación permanente. Al tiempo que favorecen la condensación de humedad, las cavidades e irregularidades de la superficie áspera del metal solidificado en la soldadura actúan a modo de zonas concentradoras de tensiones.
No debe sorprender, por tanto que las uniones soldadas estén expuestas al agrietamiento por corrosión bajo tensión en caso de entrar en contacto con alguno de los medios específicos para el desarrollo del fenómeno. Estimulan el agrietamiento lo mismo las solicitaciones exteriores que las tensiones internas. Para contrarrestar el fenómeno debe seleccionarse las técnicas, ya que defectos tales como inclusiones no metálicas, precipitación selectiva de fases, bolsas de gas, socavaciones, fisuras, etc. suministran lugares para la concentración de tensiones de tracción y predisponen el agrietamiento.
Conviene tomar precauciones en la etapa del diseño del proyecto para evitar la corrosión bajo tensión. Sin embargo, no siempre es posible un diseño cuantitativo contra esta forma de corrosión. Las recomendaciones generales parten del hecho de que, para que se produzca el fenómeno, se necesita la conjunción de tres factores: un material susceptible, un esfuerzo de tensión y un medio agresivo. Lógicamente el proyecto deberá de asegurar que no se alcancen concentraciones peligrosas de las especies químicas responsables del agrietamiento (iones hidróxilo, cloruro, nitratos, etc.), por medio de un cuidadoso control de las condiciones de servicio, evitando las configuraciones que lleven a un aumento local de la concentración de sustancia peligrosa.
* Ing. Mg. Abel De la Cruz Pérez. Gerente General, Consultor Senior y Facilitador Senior American Consult Perú [email protected] - [email protected] Visite www.infocorrosion.com el primer canal especializado en Tratamiento de Superficie, Gestión de Control de Corrosión e Integridad de Activos de Hispanoamérica.
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