Las superficies metálicas están expuestas a diferentes temperaturas que influyen en su desempeño. Para contrarrestar este fenómeno existen diferentes alternativas en pinturas con formulaciones específicas de acuerdo a las necesidades.
por M.Sc. Ph.D. Julián A. Restrepo R.*
La temperatura tiene un importante efecto en el desempeño de los equipos, elementos y estructuras metálicas: al aumentar la temperatura de un metal o aleación metálica, disminuyen tanto su resistencia, como su vida de fatiga. Existen dos mecanismos de falla relacionados con la temperatura, desde el punto de vista mecánico: la termofluencia y la fatiga térmica. Si la carga es constante se producirá una deformación dúctil y el material terminará fallando por “termofluencia”.
Por otra parte, los cambios cíclicos de temperatura (aumento y bajadas de temperatura) favorecen la falla por fatiga térmica. Cuando el material se calienta de manera no uniforme, algunas partes de la estructura se dilatarán más que otras. Esta expansión no uniforme introduce esfuerzos dentro del material y cuando este se enfría y se contrae se introducen esfuerzos opuestos; como consecuencia, se pueden presentar deformaciones inducidas térmicamente y micro-fracturas, y el material fallará por fatiga [1].
Asimismo, el efecto químico asociado al efecto de la temperatura es que esta aumenta la velocidad de diversos procesos de corrosión metálica: reacciones químicas y electroquímicas y procesos de difusión, los cuales pueden acelerarse aún más, cuando se presentan en ambientes industriales, que pueden contener compuestos sulfurosos, nitrosos y otros agentes ácidos que favorecen de manera importante la corrosión metálica.
En este punto es importante mencionar, asimismo, el efecto de los ambientes marinos, en los cuales se pueden presentar incrementos importantes de la temperatura, además de que estos se caracterizan por la presencia de compuestos clorados, los cuales favorecen particularmente la corrosión de diversos sistemas metálicos.
Por su parte, el efecto combinado de las altas temperaturas y la presencia de corrosión puede conllevar a que se presente el fenómeno denominado agrietamiento por corrosión por esfuerzo.
Como contraparte, el efecto de la temperatura en los metales no sólo se tiene a altas temperaturas, sino a bajas temperaturas, ya que de esta manera se tiene la presencia de constituyentes gaseosos propios de la atmósfera, disueltos en la capa de humedad sobre la superficie metálica, lo que ocasiona que la temperatura de congelación del agua descienda por debajo de los 0°C, de manera que se pueden tener velocidades significativas de corrosión a -5°C.
En el presente documento se discutirá muy brevemente el efecto de la temperatura en las superficies metálicas, y el papel de las pinturas y recubrimientos al ofrecer protección contra dichos efectos. Nótese que se habla de la protección de metales a las temperaturas y no sólo a las altas temperaturas, como tendería a pensarse, ya que como se ha discutido, también se tiene un importante efecto de las bajas temperaturas en las superficies metálicas.
El efecto de la temperatura en el acero
Las propiedades mecánicas del acero varían gradualmente conforme se va produciendo un aumento de su temperatura. Así, el acero pierde gradualmente su resistencia a partir de los 300ºC hasta alcanzar aproximadamente el 60% de su resistencia inicial a los 550ºC [2].
Es por esto que las estructuras de acero deben protegerse de la acción del fuego. El tiempo que demora un material en aumentar su temperatura depende de su conductividad térmica. El acero es un material conductor, por lo que recibe un mayor flujo de calor que eleva su temperatura.
Otro fenómeno a considerar a altas temperaturas es el hecho de muchos elementos se encuentran aislados para evitar la pérdida de calor (piénsese por ejemplo, en calderas, tuberías de agua caliente o vapor, etc.), en estas condiciones se puede presentar un fenómeno conocido como corrosión bajo aislamiento (CUI, por sus siglas en inglés), y la cual puede llegar a ser un grave problema, ya que debido a que la corrosión se presenta bajo el aislamiento, no es fácilmente observable y se puede presentan un grave deterioro de la superficie metálica.
En el caso de las pinturas sometidas a altas temperaturas para la protección de metales, los problemas más comunes que se presentan son inestabilidad del color, descascaramiento de la pintura debido a los choques térmicos, entre otros.
Para entender el efecto de las bajas temperaturas en el acero, podemos remontarnos al hundimiento en 1912 de un famoso trasatlántico británico durante su viaje inaugural desde Southampton a Nueva York, conocido como el RMS Titanic o simplemente como Titanic [3]. Actualmente se acepta, entre otras causas, que debido a la baja temperatura del agua, el acero perdió sus propiedades y se tornó sumamente frágil (“teoría del acero frágil”), lo que explica el hecho de que el casco del barco se rompiera con relativa facilidad al chocar con un iceberg.
El papel de los recubrimientos de protección a las temperaturas
La solución de la industria de pinturas y recubrimientos para la protección a las altas temperaturas se conoce como pinturas para altas temperaturas (en inglés, High Temperature Coatings, HTC ó High Temperature Protective Coatings, HTPC)1, las cuales se aplican sobre diversos elementos estructurales metálicos, para protegerlos del efecto de la temperatura a que sean sometidos o en algunos casos, del calor durante en caso de incendio, y su función principal es salvar vidas, proteger la propiedad y minimizar las pérdidas en las edificaciones.
El principal mercado para este tipo de recubrimientos tiene un campo de aplicación definitivamente específico, y su uso se encuentra en procesos e industrias para la protección de superficies metálicas (especialmente, acero al carbón y acero inoxidable), que estarán sometidas a condiciones de uso a altas o muy bajas temperaturas, tal como estructuras, equipos y elementos metálicos. Siendo empleadas principalmente en las industrias:
- Sector petroquímico y refinerías, para la protección de tanques, tuberías, exterior de calderas, hornos, reactores, secadores, columnas de destilación, caños de escapes, chimeneas y todo equipamiento con procesos calientes o sujetos a operar a altas temperaturas
- Sector alimentos y bebidas, para la protección de hornos, equipos de lavado en caliente, cuartos fríos, cavas
- Sector cemento y metal, en la producción de cemento, siderúrgicas, etc.
- Mantenimiento industrial general: calderas, tuberías de vapor/agua caliente, reemplazo de sistemas de lana mineral + carcaza de aluminio, etc.
Asimismo, la función de este tipo de recubrimientos involucra protección del metal:
- Contra el efecto de altas temperaturas en uso continuo, a temperaturas de unos 650°C y con capacidad de resistir picos de temperatura de hasta unos 760°C
- Contra los cambios bruscos de temperatura sin afectarse
- Para la protección del metal contra la corrosión
- Para evitar la corrosión bajo aislamiento (CUI)
- En aplicaciones criogénicas. Protección de los equipos criogénicos en operación continua o cíclica desde -185°C a 538°C.
- Resistencia a los choques térmicos (cambios bruscos de temperatura) y ciclos térmicos durante el servicio intermitente (húmedo, seco y con vapor)
En el mercado se tiene algunos ejemplos de este tipo de recubrimientos, como el PPG HI-TEMP 1027™ de PPG Protective & Marine Coatings [4-5], (a base de una matriz multiporimérica inerte), provee ventajas adicionales, tal como permitir su aplicación directa sobre óxido muy adherido en situaciones de mantenimiento y reparación; protección muy eficiente contra la corrosión, incluso aplicado bajo sistemas de aislamiento tradicionales (lana mineral + aluminio); proveer un alto espesor con alto contenido de sólidos y bajo nivel de COVs (compuestos orgánicos volátiles); presentar un bajo nivel de cloruros lixiviables, sulfuros y haluros, lo que le permite prevenir de manera importante el agrietamiento del acero inoxidable por la corrosión causada por el esfuerzo. Asimismo, permite la aplicación de un recubrimiento final sobre el PPG HI-TEMP 1027™, en una amplia gama de colores.
Se puede aplicar directamente sobre superficies calientes con una temperatura del metal de hasta 316°C, lo que elimina la necesidad de realizar costosas paradas de mantenimiento (“reparación en caliente”). No requiere termo-curado para lograr una alta resistencia anticorrosiva. Alta estabilidad de colores de acabado a altas temperaturas; estos acabados se dan con: i) PPG HI-TEMP serie 500 (estabilidad de color hasta 260°C); ii) PPG HI-TEMP serie 1000 (estabilidad de color hasta 540°C).
Por su parte, el PPG HI-TEMP 707HB™ [6], es un recubrimiento aislante base acuosa, cuya función principal es el “aislamiento térmico” (mantiene caliente lo caliente y frío lo frío); soporta temperaturas de operación de hasta 170°C.
Pie de página: 1. Por ejemplo, la compañía PPG Protective & Marine Coatings los designa bajo el nombre comercial de Hi-Temp.
Referencias
[1] http://metfusion.wordpress.com/2013/08/20/fatiga-termica/
[2] http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn107.html
[3] http://es.wikipedia.org/wiki/RMS_Titanic
[4] Hi-Temp Coatings Technology, Product line. Christian Zupicich, corporative information.
[5] Hi-Temp Coatings Technology, Application guide: PPG HI-TEMP 1027™
[6] Hi-Temp Coatings Technology, Application guide: PPG HI-TEMP 707HB™
* M.Sc. Ph.D. Julián A. Restrepo R. PMC Technical Manager de PPG Industries Colombia. [email protected]
Deje su comentario