COMISION NACIONAL DE ENERGIA ATOMICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN

INSTITUTO DE TECNOLOGIA Prof. JORGE A. SABATO

DEGRADACION DE MATERIALES I

TRABAJO DE SEMINARIO

CORROSION BAJO AISLANTES (CORROSION UNDER INSULATION)

Rodolfo E. Kramer

Resumen

La corrosión bajo aislantes es un fenómeno muy temido debido a su difícil detección y a que sus consecuencias son por lo general catastróficas. En el presente trabajo se presenta el problema y su incidencia en los procesos productivos. Se analizan además los distintos factores que contribuyen al proceso de corrosión y sus posibles correcciones.

2005

Corrosión Bajo Aislantes 1. Introducción

La proliferación en los años recientes de las fallas por corrosión de aceros y aceros inoxidables bajo aislación ha causado grandes problemas, fundamentalmente en la industria química y del petróleo. Las cañerías, calderas y los envases contenedores de fluidos son aislados térmicamente para conservar la energía manteniéndolos a la temperatura adecuada a la naturaleza del proceso.

En la década del 60 la industria química tuvo un gran crecimiento en muchas partes del mundo, y a medida que estas plantas envejecieron, las fallas por corrosión asociadas a la presencia de aislación térmica se hicieron más frecuentes. El término más común para describir este problema es "Corrosion Under Insulation", “Corrosion Under Thermal Insulation” o simplemente CUI. El dramático incremento de los problemas generados por la CUI hizo que los ingenieros se esforzaran por entender la naturaleza del mismo y definir soluciones prácticas que pudieran ser aplicadas a los nuevos sistemas y en los ya existentes. (1)

La CUI es un problema difícil de encontrar o predecir debido a que el sistema de aislación cubre y enmascara todo el problema de corrosión hasta que es muy tarde. Una vez que aparece se vuelve muy caro remover todo el sistema aislante, en particular si hay asbestos involucrados en el sistema. El problema de la CUI fue identificado antes que el grupo de industrias químicas “descubriera” el mismo. En 1957 A.W. Dana Jr. publicó "Stress corrosión Cracking of Insulated Austenitic Stainless Steel" en el boletín de la ASTM, y H.F. Karnes presentó "Corrosión Potential of Wetted Thermal Insulation" en el 57th encuentro nacional del American Institute of Chemical Engineers. Ambos presentaban extensivas pruebas que demostraban que la corrosión podía ser causada por la filtración de iones cloruros y fluoruros hacia la interfase con el metal, provenientes de los materiales aislantes usados en esa época. (2)

El fenómeno de la CUI no fue tomado en cuenta hasta fines de 1970 y comienzos de 1980, debido a la lenta velocidad de corrosión del equipamiento. El gran efecto que reveló el problema fue el énfasis en la conservación de la energía lo cual llevo al reemplazo de las viejas aislaciones por sistemas mas eficientes, y cuando estas fueron removidas, quedo expuesto el problema, encontrándose severos daños por el efecto de la corrosión. 2. Desarrollo

Para que un sistema de aislación sea exitoso debe ser realizado de la siguiente manera: -Utilización de un recubrimiento, pintura o tratamiento sobre el metal a proteger para prevenir la corrosión. -Confeccionar o seleccionar el aislante de acuerdo a la aplicación y el medio. -Calcular el espesor adecuado del mismo. -Sellar apropiadamente las juntas. -Aplicar una barrera atmosférica. (entendiéndose como tal la barrera que cubre exteriormente al aislante, protegiéndolo del exterior y pudiendo estar además cubierta por una camisa que le otorgue resistencia mecánica, o siendo en algunos casos esta ultima la barrera en sí misma) -Si es necesario (sobre todo para aplicación en exteriores) instalar una camisa protectora de la barrera atmosférica para prevenirla del abuso mecánico (desgaste, golpes, etc.). -Utilización de algún sistema de protección catódica. (3)

La aislación debe permanecer seca para mantener sus propiedades aislantes y proteger de la corrosión al metal que recubre; una aislación saturada (con agua) es considerada extremadamente perjudicial y hasta peligrosa, debido a que se pueden formar celdas de concentración, gradientes de temperatura, y áreas secas vs. húmedas, lo que puede causar la corrosión de la tubería o metal que protegen. Las causas que pueden llevar al mojado del aislante son, pobres procesos de instalación, fallas o abusos de la barrera atmosférica y los materiales expelentes del agua.

La contaminación puede estar presente antes de cubrir la superficie del metal con el aislante (cloruros y otros contaminantes), y una vez que estas áreas se mojan aparece la corrosión (4), motivo por el cual (como se verá mas adelante) es fundamental una buena limpieza antes de aplicar el recubrimiento.

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Algunos efectos externos pueden acelerar el proceso de corrosión una vez que éste comenzó (ciclado de temperaturas, de humedad, influencia del medio ambiente de trabajo, etc.), por lo cual es necesario un efectivo control para evitar que ésta aparezca. La forma más efectiva para lograrlo consiste en prevenir que el electrolito alcance la superficie del metal, aplicando para eso un recubrimiento (coating) o pintura en el tubo a proteger, y en el caso que sea necesario, utilizar también una protección catódica por si el recubrimiento se dañara o estuviera mal instalado. (3)

En la industria química, y petrolera los materiales mas comúnmente utilizados en construcción son

los aceros comunes y los aceros inoxidables de la serie SAE 300 (aceros inoxidables austeníticos). Por lo que el análisis de los fenómenos de la corrosión bajo aislación se realizará en 2 partes, en la primera se discute la corrosión en el acero y en la segunda la corrosión de los aceros inoxidables austeníticos, debido a que la naturaleza del problema es distinta. 2.1-Corrosión del acero bajo aislación 2.1.1-El problema. En estos casos el acero no se corroe en forma simple, debido a que se encuentra cubierto por el aislante. El fenómeno de corrosión ocurre cuando el acero toma contacto con agua (electrolito) y una fuente de oxígeno. El rol primario del aislante en este tipo de corrosión es el de producir un espacio anular en el cual se puede acumular agua en la superficie del metal y permanecer allí, con el acceso libre de oxígeno del aire. (1)

Existe una correlación entre la temperatura de operación del sistema y la velocidad de corrosión del mismo. A temperaturas por debajo de los 100°C, el substrato (aislante) estará expuesto constantemente a la humedad (fig. 1) si las protecciones exteriores se han roto, esta humedad se acumulará en la interfase con el metal. Si el sistema está operando a temperaturas mayores se puede generar un proceso cíclico en el cual la humedad estará suspendida en la aislación debido a que la protección exterior evita la evaporación, cuando la temperatura de operación se reduce, ésta humedad se condensa y termina acumulándose en la interfase hasta el próximo calentamiento (estos procesos en general se denominan caliente/frío). (5) El mayor problema se da con variaciones de la temperatura que van desde aquellas por debajo del punto de condensación hasta temperaturas mayores que la ambiente, en este caso los ciclos de mojado a seco ocurren cuando en el metal frío se desarrolla la condensación del agua eliminada durante el ciclo frío/mojado al pasar al ciclo caliente/seco. 2.1.2-El mecanismo. La velocidad de corrosión del acero en agua es fundamentalmente controlada por 2 factores, la temperatura y la presencia de oxígeno, en ausencia del segundo, la corrosión del hierro es insignificante.

En un sistema abierto, el contenido de oxígeno decrece con el aumento de la temperatura, al punto que la corrosión decrece incluso si la temperatura sigue aumentando (ver figura 2). Figura 1- Se puede observar un aislante Figura 2- Curvas de Temperatura vs. de fibra de vidrio saturado con agua velocidad de corrosión (corrosion rate) después de un año en servicio para sistemas abiertos y cerrados

Como se puede observar en la figura 2 el gran problema de la CUI es que la velocidad de corrosión del acero se incrementa a ritmo constante con la temperatura, por lo que se puede clasificar como equivalente a la corrosión de un sistema cerrado de agua caliente. (1)

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Los factores que más afectan la corrosión del acero bajo aislación térmica están determinados por: 1_ Características de los ciclos de exposición al mojado (duración y frecuencia) 2_ Corrosividad del medio acuoso 3_ Fallas de las barreras protectoras (pintura o recubrimientos y barreras atmosféricas) (6) 2.1.3-Factores que afectan la corrosión de los aceros bajo aislación.

• Diseño del equipamiento • Temperatura de servicio • Selección del tipo de aislamiento • Tipos de pintura y recubrimientos protectores • Barreras atmosféricas • Clima • Practicas de mantenimiento

2.1.3.1-Diseño del equipamiento: El diseño de los equipamientos incluye numerosos detalles como, refuerzos, curvas, sujeciones y

conexiones con otros equipos lo cual es responsabilidad de los ingenieros o diseñadores quienes deben asegurar que el mismo sirva tanto para los elementos sujetos a aislación como los que no (fig. 3), ya que en éstos la aislación se vuelve muy complicada y en general se realiza con materiales muy finos o no se aplica. Deben tomarse medidas especiales en cada caso porque estos detalles permiten la fácil migración de la humedad hacia el interior del sistema de aislación. (fig. 4) Figura 3- Se puede observar el problema Figura 4- Pequeñas secciones son difíciles ocasionado por dejar ciertas áreas difíciles de aislar, dejando lugares donde puede filtrarse de aislar al descubierto, se encontró una menor el aire y la humedad del medio. cantidad de corrosión dentro de las partes del sistema que estaban correctamente aisladas. 2.1.3.2-Temperaturas de Servicio: Esto es importante en la CUI por 2 razones fundamentales:

- Altas temperaturas permiten que el agua esté presente en contacto con el acero por menos tiempo, pero pueden concentrar impurezas sobre la superficie del metal al evaporarse.

- Altas temperaturas hacen que el agua sea más corrosiva, y que las pinturas y recubrimientos fallen tempranamente.

Los equipos que operan entre las temperaturas de congelamiento y la ambiente sufren menor

corrosión localizada, y la velocidad de corrosión tiende a ser menor debido a que, primero la temperatura del agua es menor y segundo los contaminantes son continuamente diluidos por condensación. De cualquier manera dado que la corrosión ocurre continuamente, el daño puede acumularse casi tan rápido como bajo aislación en caliente. (6)

La corrosión bajo aislantes de alta temperatura es más difícil de entender debido a la continua evaporación del agua entrante. La evaporación produce condiciones altamente corrosivas que actúan cíclicamente, así como el inadecuado funcionamiento de las capas de protección (pinturas o recubrimientos protectores) con las que se cuenta a menudo y la concentración de impurezas en la superficie del metal.

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2.1.3.3-Selección del aislante: Además de la importancia en evitar la transferencia de calor, los aislantes tienen otra función fundamental que es evitar la migración y condensación de la humedad en la superficie del tubo.

Las características de cada tipo de aislación que más influyen en la CUI son: la absorción de agua y la contribución química de la fase acuosa. Mientras que en la selección de la aislación no se puede descartar la posibilidad de corrosión, algunos tipos de aislantes dejan el sistema menos sensitivos a los defectos en la barrera atmosférica o al film de pintura, debido a que no son absorbentes al agua y químicamente benignos.

Desafortunadamente, la selección del aislante no está basada generalmente en ninguna consideración

de costos de mantenimiento, sino en el costo de instalación vs. la energía ahorrada. Los aislantes vienen en diferentes formas como ser: coberturas para tubos, bloques, guatas y

mantillas, pueden ser además rellenos con celdas muy pequeñas hasta microscópicas de gas o de alguna clase de material sólido, el cual puede ser plástico o vidrio, pueden ser también fibras de vidrio o fibras minerales, o pueden ser wolastonita que es un silicato de calcio (48% CaO, 51,7% SiO2), o perlita expandida con un aglutinante (binder) como silicato de sodio. (7)(8)(9)(10).

Una de las propiedades que define el tipo de aislación es su rango de temperatura de trabajo. Por lo

general se dividen en: de baja temperatura como ser elastómeros flexibles y fenólicos, polímeros expandidos, etc., éstos en presencia de agua pueden contribuir a los problemas de corrosión, dado que muchos contienen iones cloruros, floruros, silicatos y sodio. La ASTM establece que el nivel de cloruros debe ser menor de 200 ppm. (11). Las aislaciones de algún polímero expandido tienen la ventaja de su gran resistencia al deterioro, sin embargo en algunos casos su inercia puede ocasionar problemas, ya que prácticamente todos los plásticos contienen residuos, ya sea ciertas cantidades de elementos no polimerizados, o productos que permanecen luego del proceso de obtención. Durante el servicio pueden también despolimerizarse o degradarse lentamente liberando fragmentos que pueden migrar desde el aislante hacia al metal (antiguamente se creía que la CUI se debía exclusivamente a este efecto), estas reacciones en general son aceleradas por el incremento de la temperatura, radiación ultravioleta, oxidación, etc. En (12) se da una lista de los efectos que sufren los distintos plásticos al degradarse.

Los aislantes de alta temperatura, como los silicatos de calcio, perlita, fibras minerales o fibras de vidrio son inherentemente porosos, facilitando la entrada y retención de agua. A temperatura ambiente, el silicato de calcio puede absorber más del 400% de su peso cuando es inmerso en agua, cuando está seco es alcalino con un pH de 9 a 10. Altos pH pueden ser dañinos para los recubrimientos protectores, por lo cual es un factor a tener en cuenta a la hora de seleccionar el tipo de recubrimiento. Algunos silicatos de calcio todavía en servicio pueden tener sales corrosivas, de cualquier manera esto fue corregido en la mayoría de los materiales actualmente producidos.

La perlita es un mineral vítreo, volcánico, y químicamente es esencialmente una mezcla de silicato de aluminio amorfo (71-75% SiO2, 12.5-18 Al2O3, 4-5 K2O, 1-4% sodio, óxidos de calcio, y rastros de óxidos de estos metales) también contiene un 2-5% de agua combinada lo que permite expandir la perlita calentándola, creando un material muy liviano y de excelentes propiedades aislantes. (8)

El vidrio celular (13) no absorbe agua y retiene solo pequeñas cantidades de ésta en cortes o superficies fracturadas, están manufacturados por 100% de vidrio sin rellenos ni binders y está compuesto por millones de celdas de vidrio que son completamente herméticas previniendo la entrada de humedad (11), es ampliamente utilizado para un rango de bajas temperaturas hasta aproximadamente 150°C. La mayor ventaja es que no presenta absorción de agua y el costo de instalación es razonable. Sin embargo cuando el vidrio celular o algún material termoplástico con celdas cerradas son expuestos al enfriamiento por ciclos térmicos, las paredes de las celdas individuales pueden fallar y permitir a la humedad llenar la celda, en el próximo ciclo de enfriamiento la expansión del agua en la celda causará daño a las adyacentes y la humedad penetrara así en el aislante. En general los aislantes con celdas cerradas son más resistentes a los efectos de la humedad que los fibrosos o granulares, de cualquier manera por el efecto antedicho no son completamente inmunes a la absorción por lo cual no son una solución por sí mismos al efecto de la CUI (2).

Los aislantes basados en fibras de vidrio y fibras minerales tienen una absorbancia que varía en gran manera de producto a producto. Las propiedades y características de los aislantes más utilizados, y la influencia individual de cada uno sobre el metal que están cubriendo, se discute en (7).

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Resumiendo, la selección del tipo de aislación y su efecto en la CUI tiene 2 efectos críticos: la absorbancia debido al tiempo requerido para secarse, y la contribución química del aislante que entra en la fase acuosa, lo que incrementa la corrosividad en la mayoría de los casos. Es fundamental destacar dos factores a tener en cuenta:

- La corrosión es posible bajo todos los tipos de aislación, el tipo de aislación es sólo un factor contribuyente

- La selección de la aislación debe hacerse bajo consideraciones de una gran cantidad de ventajas y desventajas en las áreas de instalación y operación económica.

En general, los tipos de aislación utilizados tienen un pequeño efecto en la velocidad de corrosión

del acero comparado con los otros factores mencionados (como ser la humedad, la variación cíclica de la temperatura y la presencia de oxígeno). Para evaluar ésto se realizó una prueba durante 1 año (14) a 20 tipos diferentes de aislantes y se concluyo que, a pesar de que los aislantes que pueden absorber agua desarrollan mayores velocidades de corrosión que los que no lo hacen, la diferencia entre éstos no es grande. Los esfuerzos por seleccionar un tipo de aislación para prevenir la corrosión no fueron prácticos, lo que nos indica que la corrosión ocurre bajo cualquier tipo de aislación.

Con una buena barrera atmosférica los aislantes no absorbentes ayudan a mantener la humedad fuera

de la tubería, pero si ésta se perfora, el agua puede penetrar dentro del aislante y quedar atrapada en la interfase con el acero que protegen, siendo la velocidad de corrosión ampliamente dependiente de cuanto tiempo esté la humedad en contacto con el acero y las condiciones de operación térmica. Si bien los aislantes absorbentes colaboran en remover el agua de la superficie del metal, pierden sus ventajas si hay una fuente continua de agua como ser un proceso de condensación.

El medio en el cual va a ser instalado el sistema de aislación debe ser considerado antes de especificar el tipo de aislante y el espesor del mismo. El espesor de la aislación es un factor crítico para el éxito del sistema, debido a que espesores pequeños de aislación permiten que la transferencia de humedad y calor sea mas fácil (15) por lo cual el problema de corrosión es grande, para realizar este cálculo en general los proveedores utilizan algún tipo de software (16).

La colocación de la aislación es tan crítica como la elección del aislante por sí mismo, una instalación deficiente puede ocasionar el paso de la humedad hacia la tubería, proveyendo el electrolito necesario para comenzar el proceso de corrosión. Por lo general se utilizan juntas sellantes para evitar la lenta migración del vapor o humedad si se rompe la barrera de vapor. 2.1.3.4-Tipos de pinturas y recubrimientos protectores: Hace algunos años se creía que la protección anticorrosiva que conferían al metal las películas de pintura consistía fundamentalmente en un efecto barrera, reduciendo el acceso del oxígeno y la humedad a la superficie del metal. La experiencia demostró que debido a las altas permeabilidades del oxígeno y el agua de la mayoría de los recubrimientos de pintura, la protección mediante este mecanismo sería seriamente limitada; en la actualidad se acepta como mecanismo principal de la protección anticorrosiva la resistencia iónica. (17).

La función y las características deseadas para los recubrimientos de cañerías están cubiertas en la especificación NACE RP-01-69 la cual establece que la función del recubrimiento es controlar la corrosión por aislación de la superficie externa para reducir los requerimientos de protección catódica. Las propiedades ideales son: efectiva aislación eléctrica, una efectiva barrera a la humedad, consideraciones de aplicación, buena adhesión a la superficie del metal, habilidad para mantener sus propiedades con el tiempo y resistencia a despegarse de la superficie que están protegiendo. Una información detallada de pinturas y recubrimiento se encuentran especificados en (18).

Los recubrimientos y pinturas son una importante medida para prevenir la CUI, la falla de estos es

esencial antes que la corrosión pueda ocurrir. Antiguamente se creía que una simple capa de recubrimiento era suficiente debido a que la barrera atmosférica nunca dejaría entrar agua dentro del sistema de aislación. Considerando la naturaleza del tipo de servicio al que están sometidos los recubrimientos tenemos que el servicio es virtualmente de inmersión, dado que por lo general el ambiente de aislación está mojado más tiempo que la mayoría de las superficies que no están aisladas una vez que la barrera atmosférica esta rota o fisurada, además bajo aislación de alta temperatura el recubrimiento está sometido a una mayor temperatura que la mayoría de los equipos que no están aislados.

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Otras consideraciones que se deben tener en cuenta son: la degradación química, la reacción con el tipo de aislante y la permeabilidad del recubrimiento. Algunos recubrimientos orgánicos permiten que la corrosión pueda comenzar a través de los mismos, inclusive en la ausencia de grietas. (17)

Cuando se selecciona el recubrimiento (coating) o el tipo de pinturas para metales bajo aislación deben tenerse en cuenta:

• Temperaturas de operación del sistema • Aplicación y requerimientos de aplicación • Requerimientos en la preparación de la superficie • Compatibilidad con el tipo de aislación

La protección debe ser lo suficientemente flexible para acompañar la expansión y contracción del

sistema de tuberías con la variación de temperatura, estas fluctuaciones pueden causar una perdida de adhesión entre el recubrimiento y el metal, permitiendo que penetre agua a la superficie del mismo. Las altas temperaturas pueden causar que ciertos tipos de recubrimientos fluyan, se fisuren, o curven, mientras que las bajas temperaturas pueden causar perdidas de flexibilidad o fragilización (3). Cuando se limpia la superficie antes de la aplicación deben tenerse especial cuidado en que no queden residuos de Cl- u otras sales. Una técnica nueva para la preparación de superficies se denomina “mineralization surface” (3)(4), se utiliza para reducir la preparación de la superficie y básicamente consiste en hacer crecer una pequeña delgada capa mineral (50-200 Å) en la superficie del metal, este tipo de recubrimiento se comporta en forma optima en el rango de temperaturas entre -46°C a 121°C. El gran beneficio de esta tecnología es que si la barrera atmosférica falla y entra humedad al sistema, evita que ésta viaje directamente a la superficie del metal.

Otro factor a tener en cuenta es la compatibilidad con la aislación; algunos aislantes pueden ser abrasivos (cellular glass), y cuando la tubería se mueve el recubrimiento puede dañarse, otros aislantes pueden ocasionar que el recubrimiento se deteriore, volviéndose blando o frágil (especialmente cuando el aislante está mojado). El espesor de la mayoría de los recubrimientos depende de la tolerancia aceptada por el aislante, por lo cual en general el fabricante del mismo debe especificar el tipo de recubrimiento a utilizar.

Finalmente, muchos recubrimientos dependen de algún tipo de inhibidor de sacrificio o son esencialmente eso (ejemplo recubrimientos ricos en zinc) y son la última barrera a la corrosión que puede presentar el sistema una vez que todas las medidas anteriores hallan fallado, por lo cual es también necesario su control periódico. 2.1.3.5-Barreras atmosféricas: La camisa exterior o protección mecánica del sistema de aislación es un factor crítico, debido a que es la primer barrera a la entrada de agua que provee el ambiente corrosivo, y segundo, es la única parte del sistema que puede ser rápidamente inspeccionada y económicamente reparada. Se encarga de proveer de protección mecánica y ambiental para el sistema aislante, para lo cual comúnmente se utilizan materiales como aluminio, acero aluminizado, acero galvanizado, plásticos reforzados con fibra de vidrio etc., el diseño mecánico debe ser balanceado con los requerimientos de materiales del sistema de aislación, debido a que las aislaciones rígidas y semirrígidas pueden necesitar juntas de expansión, las fallas en la instalación de éstas pueden ocasionar movimientos y como resultado los retardadores de vapor o barreras de vapor pueden ser rotas causando que el agua entre al aislante, por lo que debe tenerse en cuenta los coeficientes de expansión de los distintos materiales utilizados en el sistema. Las juntas de expansión, en general, están construidas del mismo material que el aislante. (11) Debajo de esta camisa metálica (en el caso que se utilice) se ubica la barrera atmosférica, la cual en general está dividida en dos tipos, barrera de vapor (que se utiliza para baja temperatura) y barrera a la intemperie (que se utiliza para alta temperatura). La finalidad de la barrera de vapor es mantener ambas fases, líquidas y vapor fuera del sistema de aislación, mientras que el propósito de la barrera a la intemperie es mantener el líquido fuera del sistema aislante pero permitir la evaporación de los que estén contenidos en él. (19)

La barrera de vapor o barrera retardadora de vapor, puede estar construida de diferentes materiales que incluyen papel, polímeros, y membranas autoadhesivas, en la actualidad las especificaciones estándar dicen que esta barrera debe estar instalada bajo una protección mecánica como PVC o Al.

La consecuencia de una barrera atmosférica rota (lo que en general se da durante la instalación del sistema de aislación) es que más agua puede entrar dentro del aislante y exponerlo a ciclos de temperatura, lo cual hace que necesite un mayor tiempo para secarse.

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2.1.3.6-Clima: Tanto el clima como el microclima que se forma por las condiciones internas de la planta son considerados factores importantes para la CUI. Debido a las condiciones de trabajo de la planta, se encuentran mayores temperaturas y peores niveles de corrosión que los esperables. 2.1.3.7-Propiedades de Mantenimiento: Es necesaria una rutina de mantenimiento de la protección externa para minimizar los efectos de la CUI. A veces esta inspección debe realizarse por ultrasonido debido a que se pueden encontrar fallas que no se acusan en el exterior del recubrimiento y pueden llevar a situaciones catastróficas. 2.1.4-Prevención. Para prevenir los daños de la CUI en general se adhiere un inhibidor al aislante (como ser Na2SiO3), este inhibidor debe ser soluble en agua para poder disolverse y dirigirse a la superficie del acero. Si la aislación está cubierta por protección mecánica en el exterior, el agua puede entrar por pequeñas fisuras en la misma, y ubicarse en el anillo exterior entre la camisa y la superficie del aislante, el inhibidor debe ser capaz de ser extraído fácilmente y desplazarse por el aislante corriendo hacia las paredes del acero. Siendo este un inhibidor consumible, el sistema no puede ser dependiente a largo tiempo del mismo, por lo cual se lo utiliza solo si el agua traspasa la barrera atmosférica.

Por lo general también se utiliza protección catódica para prevenir la corrosión cuando el

recubrimiento se ha dañado o si no fue bien instalado. Hay 2 métodos para obtener esta protección (20) una es utilizar un ánodo de sacrificio, el criterio adoptado por las normas NACE estándar RP0169 es que el potencial catódico a temperatura ambiente debe ser de al menos -141 mVENH los resultados demostraron (21) que a una temperatura de 80°C el potencial tiene que ser de al menos -1106 mVENH. El segundo método es establecer una protección catódica, donde la corriente eléctrica es proveída por una fuente externa como ser un sistema transformador-rectificador, este sistema se conoce como corriente impresa.

Los ciclos secos/húmedos (que pueden ser causados por la humedad, variaciones de temperatura o

lluvias) pueden degradar la efectividad de la protección catódica por corriente impresa o causar su interrupción, en (22) se analiza como estos factores modifican la protección. 2.1.5-Inspección El ultimo factor para controlar la CUI es el monitoreo y la inspección, en la actualidad hay un gran número de ensayos para evaluar la CUI, estos son: radiografía (fig. 5), medición del espesor por ultrasonido (se cortan ventanas del aislante y se expone el acero para medir su espesor –ver figura 6-), remoción de la aislación (se quita la aislación y se controla la superficie por inspección visual y tintas penetrantes) y actualmente se pueden utilizar mediciones por Rayos X en tiempo real (fig. 7). (23).

Un mantenimiento es fundamental para la prevención de estas fallas, en (5) se ejemplifica un procedimiento sistemático para el control de este tipo de corrosión.

2.1.6-Ejemplo. Una instancia de este problema se desarrolló en una perforadora en Alaska a mediados de 1980. Una cañería de gas caliente que llevaba gas fuera de la estación fallo debido a que el 85% de las paredes de la cañería estaban corroídas como resultado de un aislante saturado. Temiendo que otra falla de este tipo fuese a ocurrir se cambio el sistema aislante de las tuberías (de diámetro entre 10- 106 cm) en todo su recorrido (196 km). (11) Figura 5-Esquema del sistema de Figura 6-Esquema del procedimiento Figura 7-Esquema del sistema radiografía para el ensayo de tubos de ensayo por ultrasonido de ensayo por rayos X

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2.2-Corrosión bajo tensión de los aceros inoxidables austeníticos bajo aislación. 2.2.1-El problema. Durante y después de la segunda guerra mundial fueron construidas muchas nuevas plantas petroquímicas en los EEUU y la mayoría de esas plantas contenían equipamiento construido con acero inoxidable austenítico. Estas aleaciones eran ampliamente usadas para evitar la corrosión y mantener la pureza de los productos, en general este equipamiento era aislado para aumentar la eficiencia térmica. Con el tiempo todos los sistemas aislantes, sus barreras atmosféricas y sus recubrimientos envejecieron, y comenzaron a ocurrir muchos accidentes de corrosión bajo tensión en los años siguientes. 2.2.2-El Mecanismo. Tan pronto como se extendió el uso del acero inoxidable austenítico, comenzada la década del 30, quedó claro que los iones Cl- en agua eran muy dañinos debido a que causaban corrosión localizada como picado y corrosión en rendijas dando lugar a fallas en formas de fisuras transgranulares las cuales son muy destructivas. Para que se desarrolle el proceso de corrosión bajo tensión son necesarias cuatro condiciones:

• Un acero inoxidable austenítico 18-8 • La presencia de tensiones residuales o de tensiones aplicadas en la superficie • La presencia de cloruros Cl-; bromuros Br- o floruros F- • La presencia de un electrolito (agua)

Cuando estas condiciones están presentes es muy probable que ocurra corrosión bajo tensión (CBT). Se han desarrollado muchas variaciones de los aceros inoxidables para combatir este tipo de corrosión, estas tienen un alto contenido de níquel, cromo y molibdeno, como así también aleaciones duplex que son altamente resistentes a la corrosión bajo tensión.

Como dijimos, para que se desarrolle la CBT, debe existir una tensión suficientemente alta en el material, si esta tensión es reducida o eliminada, este mecanismo de corrosión no aparece y no ocurre la rotura. La tensión requerida para el comienzo del desarrollo de la fisura depende del medio en el que se está desarrollando la misma, sin embargo la mayoría de los productos como láminas, chapas, caños y tubos contienen suficientes tensiones residuales provenientes del proceso de formado como para desarrollar este tipo de corrosión sin tensiones externas.

La concentración de iones Cl- necesaria para comenzar la CBT no está bien determinada pero

estudios recientes indican que aislaciones con bajas concentraciones (aprox 10 ppm) pueden causar densidades de cloruros suficientemente altas como para causar CBT si los cloruros son despedidos y se ubican en la superficie del metal. La densidad de los depósitos de cloruros del medio ambiente es de 10 a 100 veces más grande que la que en general aportan los aislantes por sí mismos. (6)

La condición más importante que afecta la concentración de cloruros es la temperatura de la superficie del metal ya que ésta tiene un efecto dual, primero, la elevada temperatura puede causar la evaporación del agua, lo que lleva a la concentración de la sal en la superficie, y segundo acelera la velocidad de las reacciones de corrosión.

El agua es el cuarto elemento debido a que la CBT en los aceros inoxidables es un proceso

electroquímico y necesita un electrolito, cuando esta llega a la interfase metal/aislación (en general proviene de roturas o fisuras de la aislación y su barrera atmosférica) se condensa mojando la superficie del metal o si esta muy caliente es vaporizada, este vapor penetra completamente el sistema de aislación y se deposita en lugares donde pueda condensar.

Debido a que la aislación térmica no está desarrollada para trabajar en condiciones de saturación y dado que todas las barreras atmosféricas eventualmente desarrollan defectos, la humedad del aire finalmente toma contacto con la superficie del metal, por lo cual es esencial el control de la barrera atmosférica y de las condiciones en las que trabaja el aislante. Desde el punto de vista de la aislación, la cobertura externa actúa como una barrera a la humedad. (2)

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2.2.3-Factores que afectan la CBT de los aceros inoxidables austeníticos bajo aislación 2.2.3.1-La naturaleza del medio ambiente Dado que la humedad del ambiente existente bajo la aislación puede causar CBT, y asumiendo que estas fallas son fundamentalmente transgranulares, la deducción obvia es que el medio en que opera, o los ciclos de temperatura pueden permitir la propagación de las fisuras y proveer una fuente de agua, de cloruros, y de oxígeno. Como dijimos un electrolito debe estar presente para que ocurra la fisuración, y el más común es el agua. Dos fuentes de agua son endémicas a la superficie externa: la humedad ambiental y el agua potable o el agua de lluvia. La humedad atmosférica puede servir como fuente de electrolito para la CBT debido a que a temperaturas y presiones ambientales podemos tener una fina capa de líquido con 8 ppm de O2, un pH entre 3 y 5.5 y un contenido de cloruros entre 10 a 100 ppm con excursiones de hasta 400 ppm (6) 2.2.3.2-Fuentes de cloruros Cuando aparecieron las primeras fallas en las superficies de los metales cubiertos con aislación se pensó que la fuente de cloruros era el aislante por sí mismo. Ciertamente algunos de los viejos aislantes de magnesia eran particularmente altos en cloruros, y estos materiales causaban rápidas fallas, por lo cual en la actualidad las agencias y compañías especifican el contenido de cloruros en los aislantes en concentraciones que varían de 5 a 600 ppm.

En (6) se hace una comparación de las distintas fuentes de cloruros más comunes como ser: lluvia, humedad etc. y se concluye que los cloruros provenientes del aislante pueden causar CBT, como así también lo pueden hacer los cloruros depositados provenientes de la atmósfera, los cuales se consideran potencialmente más peligrosos debido a que la fuente de estos es infinita. 2.2.3.4-Fuentes de agua ¿Cual es el mecanismo por el cual el agua toma contacto con la superficie del acero inoxidable? Si la fuente externa es la lluvia la barrera atmosférica protege al sistema, si por otro lado la humedad del aire es suficiente entonces la barrera atmosférica no solo debe funcionar como una barrera al mojado sino también al vapor de agua para prevenir la saturación del aislante por la alta humedad del aire antes que esta tome contacto con la superficie del acero inoxidable.

Hay datos que sugieren que la presencia de sales en la humedad depositada del aire son por sí mismas suficientes para causar CBT (6), y se identifican 2 probables mecanismos para explicar esto; la formación de gotas sobre la superficie del metal o debido a la naturaleza higroscópica de las sales depositadas, las cuales absorben muchas veces su peso en agua, entonces la partícula de sal se convierte en una gota concentrada. Sin embargo la mayoría de las fallas se da en lugares donde la barrera atmosférica está rota y la aislación puede ser mojada, por lo cual los mecanismos antedichos son utilizados para explicar fallas dentro de edificios donde no pueden ser alcanzados por la lluvia. 2.2.3.5-El rol del potencial de corrosión y los inhibidores El potencial de corrosión juega un rol fundamental en la CBT. En soluciones concentradas y diluidas el potencial crítico para que aparezcan las fisuras (cracking) en aceros inoxidables austeníticos es de aproximadamente -200mVENH. Entonces las fisuras pueden ser evitadas disminuyendo el contenido de oxígeno de la solución por debajo de 100 ppb o conduciendo a potenciales más negativos con protección catódica o la adición de inhibidores. Cuando se usan aislaciones con inhibidores se asume que el agua deberá filtrarse por el aislante, extrayendo el inhibidor, entonces para cualquier mecanismo de concentración de cloruros también se concentrará el inhibidor.

De cualquier manera, el uso de aislantes con inhibidores implica no solo la concentración adecuada del inhibidor sino también el cuidadoso monitoreo de estas concentraciones en función del tiempo, reemplazando la aislación cuando se hallan acabado. (24) Otra protección que se utiliza en la actualidad es la de adherir la aislación al metal a proteger mediante algún pegamento, para lo cual debe especificarse que este sea libre de cloruros y tener en cuenta los factores de dilatación de ambos. (25) 2.2.3.6-Rango de temperaturas de la SCC Desafortunadamente estos valores de temperaturas son inciertos, el crecimiento de las fisuras en el acero inoxidable por cloruros se incrementa rápidamente sobre los 80°C, pero se han observado también sus efectos por debajo de esta. Es esperable que los efectos desaparezcan sobre los 260°C donde las sales pierden su agua de hidratación.

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Las especificaciones del tipo de aislación deben incluir el tipo de barrera atmosférica para prevenir el mojado del sistema aislante, se debe especificar también el tipo de aislación que puede retardar la migración de humedad y proveer protección adicional, como ser algún recubrimiento o pintura, aplicado en la superficie de los puntos críticos. El principal objetivo es evitar que la humedad penetre el sistema aislante, por lo cual se deben elegir los mejores aislantes posibles y realizar una revisión y mantención periódica para asegurar que la barrera atmosférica esté intacta. 2.2.4-Ejemplo: Un acero inoxidable AISI 304 de una columna de destilación operaba en una locacion a menos de 1 km de la costa del océano. Este ambiente es particularmente dañino debido a los altos vientos y la concentración de NaCl de la lluvia. Los requerimientos de la planta hacían que la columna trabaje a 90°C (una temperatura óptima para que se de la CBT). La columna fue aislada con fibra mineral y las especificaciones no requerían precauciones extras a la entrada de la humedad. Después de algunos años en servicio comenzaron a aparecer fugas en las soldaduras y en la parte inferior de la columna. Un ingeniero identificó correctamente el problema, corrosión bajo tensión inducida por las condiciones atmosféricas y la inhabilidad del sistema aislante para mantener fuera el agua. La columna fue reparada y aislada utilizando un recubrimiento de epoxy. Diez años después la columna fue inhabilitada y reemplazada debido a la extensa corrosión bajo tensión que sufría. (11) 3. Conclusiones

El problema de la corrosión bajo aislantes es muy importante en la industria porque ocurre sin previo aviso y con consecuencias catastróficas, debido a que el material protegido puede presentar un gran nivel de corrosión lo cual no se evidencia por estar cubierto por el sistema aislante. Si bien no existe algún sistema de aislación que controle completamente la corrosión, la correcta selección del mismo puede evitarla o reducirla de modo que no tenga efectos que compliquen la vida del equipo. Es necesario para esto utilizar un buen sistema de aislación que contenga todas las medidas preventivas para evitar que el metal tome contacto con el agua.

Se observaron los principales fenómenos que influyen en este tipo de mecanismo y como combatirlos para reducir el efecto de la corrosión.

La selección del aislante depende de muchos factores, desde el punto de vista de la corrosión es necesario conocer cuanto influirá este, por lo general se tratan de utilizar aislantes que reaccionen de la menor manera posible con el metal que protegen pero inclusive estos contribuyen a acelerar la velocidad de corrosión si permanecen húmedos o permiten que el agua se aloje en la interfase con el metal. En algunos casos la utilización de aislaciones absorbentes es muy eficaz porque puede extraer el agua que se aloja en la interfase, pero este efecto se anula si hay una fuente continua de agua.

La utilización de recubrimientos o pinturas es necesaria porque actúan como escudo en caso de que se moje el aislante y el agua pudiera alcanzar la interfase con el metal.

Un factor que acelera mucho la velocidad de corrosión son los ciclos de temperatura ya que estos afectan el normal funcionamiento de todo el sistema de aislación por lo cual hay que tomar consideraciones especiales, durante la selección del tipo de aislación y de los recubrimientos en caso del que el sistema esté expuesto a este proceso.

El diseño del sistema de aislación tiene importante consecuencias, como así también su instalación, ya que un diseño deficiente (dejando zonas sin proteger) o una instalación mal hecha tiene consecuencias catastróficas.

En la mayoría de los casos se recomienda el uso de una barrera atmosférica para controlar el mojado de los aislantes que pudiesen generar los efectos externos (humedad, lluvia, etc.).

Finalmente, un sistema será eficaz si se tiene un correcto control y mantenimiento del mismo, debido a que los componentes envejecen y en algunos casos se consumen (ej. Inhibidores) por lo que es necesario un monitoreo del sistema para evitar que la corrosión pudiera aparecer. En la actualidad existen muchos tipos de ensayos no destructivos que se pueden aplicar con este fin.

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Agradecimientos El presente trabajo se pudo realizar gracias a la colaboración del Centro de Información - Biblioteca Eduardo J. Savino en el Centro Atómico Constituyentes, y en especial gracias a la señora Maria Cristina Skrzywanek quien asesoró y colaboró con la búsqueda bibliográfica del material utilizado. Se agradece también al Centro de Procesos Superficiales del INTI por la colaboración con material bibliográfico

Referencias:

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2-Gary Whittaker “Preventing Corrosion”, Insulation Outlook. Diciembre 2004, descargado el 18/03/2005 de

http://www.insulation.org/articles/article.cfm?id=IO041202

3-Patrick J. Dunn and R. Norsworthy “Control of Corrosion Under Insulation”, ASHRAE Journal, Marzo

2003, descargado de www.ashrae.org, pp 2-8

4-R. Norsworthy, P. J. Dunn “Corrosion Under Thermal Insulation” Materials Performance Septiembre 2002

pp 38-43

5-John W Kalis Jr. “Corrosión Under Thermal Insulation: The Inspection Process” consultado el 07/04/

2005 en http://www.insulation.org/articles/article.cfm

6-Lazar, P., III, “Factors Affecting Corrosion of Carbon Steel Under Thermal Insulation”, Corrosion of

Metals Under Thermal Insulation, ASTM STP 880, W. I. Pollock and J. M. Barnhart, Eds., American Society

for Testing and Materials, Philadelphia, 1985, pp. 11-26

7-Lang, G. E.,”Thermal Insulation Materials: Generic Types and Their Properties”, Corrosion of Metals

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Testing and Materials, Philadelphia, 1985, pp. 63-68

8-G. Arambarri y E.F. Aglietti “Materiales aislantes de perlita y silicato de calcio. Conductividad térmica y

propiedades”, IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2003, pp 941-947, obtenido de

http://www.materiales-sam.org.ar/sitio/biblioteca/neuquen/Trabajos/1212.PDF#search='aislacion%20perlita' el

05 de Mayo del 2005.

9-http://www.perlite.org/perlite_info/guides/pcf/23.pdf (consultado el 04/05/2005)

10-http://www.jmpipeinsulation.com/pdf/pipe/Sproule_WR-

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a29d50187c5b1d256 (consultado el 04/05/2005)

11-Tim Bovard “The Problem of Corrosion Under Thermal Insulation”, Materials Performance (junio 2002)

pp. 34-38

12-L.L. Sheir, R. A. Jarman, G.T. Burstein “Corrosion of Metals by Plastics”, Corrosion, Vol. 2

Metal/Enviroment Reactions - Corrosion Control cap. 18 pp. 90-96

13-http://www.unitedperlite.net/cel_glass.htm (consultado el 09/06/2005)

Rodolfo E. Kramer 11

14-Ashbaugh, W. G. And Laundrie, T. F., “A Study of Corrosion of Steel Under a Variety of Thermal

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M. Barnhart, Eds., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1985, pp. 121-131

15-http://www.corrview.com/tech_p_06.htm#top (consultado el 03/05/2005)

16-http://www.kflex.com/info.asp?access=8 (consultado el 03/05/2005)

17-Manuel M. Linares “Los recubrimientos de pintura como protección anticorrosiva” Teoría y práctica de

la lucha contra la corrosión, año 1984, pp. 423-459

18-Kenneth B. Tator, KTA-Tator Inc. “Organic Coatings and Linings” ASTM Vol 13, ed 1998, pp 399-418

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20-C. G. Siegfried, Ebasco Service Inc. “Corrosion of Pipelines” ASTM vol 13, ed 1998, pp 1288-1292

21-Jung-Gu Kim, Yong-Wook Kim “Cathodic protection criteria of thermally insulated pipeline buried in

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22-J.J. Perdomo “Chemical and electrochemical conditions on steel under disbonded coatings: the effect of

previously corroed surfaces and wet and dry cycles”, Corrosion Science 43 (2001) pp 515-532

23-Michael Twomey “INSPECTION TECHNIQUES FOR DETECTING CORROSION UNDER

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http://www.ndt.net/article/0298/twomey/twomey.htm

24-McIntyre, D.,”Factors Affecting the Stress Corrosion Cracking of Austenitic Stainless Steels Under

Thermal Insulation”, Corrosion of Metals Under Thermal Insulation, ASTM STP 880, W. I. Pollock and J.

M. Barnhart, Eds., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1985, pp. 27-41

25-Kalis, J. W., Jr “Using Specifications to Avoid Chloride Stress Corrosion Cracking”, Corrosion of Metals

Under Thermal Insulation, ASTM STP 880, W. I. Pollock and J. M. Barnhart, Eds., American Society for

Testing and Materials, Philadelphia, 1985, pp.199-203

Paginas Web relacionadas con el tema desarrollado en el presente trabajo

http://www.extolohio.com/index.html

http://www.corrview.com/tech_p_06.htm#top

http://search.nace.org/query.html?col=&qc=&qt=CUI

http://search.nace.org/query.html?col=bguide&col=books&col=cj&col=cjabs&col=conferen&col=mponline&co

l=nace&col=other&col=reports&col=standard&qt=Corrosion+under+insulation&charset=iso-8859-1

http://www.intercorr.com/cui.html

http://www.asnt.org/publications/materialseval/basics/feb97basics/feb97basics.htm

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