Читать книгу Organización y montaje mecánico e hidráulico de instalaciones solares térmicas. ENAE0208 - Francisco Martín Antúnez Soria - Страница 36

Los tornillos, arandelas y elementos de anclaje de la estructura normalmente están hechos de acero inoxidable.

El acero inoxidable es una aleación de hierro y carbono que contiene por definición un mínimo de 10,5 % de cromo. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes. Los principales son el níquel y el molibdeno, que es un tipo de acero resistente a la corrosión. El cromo posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora que evita la corrosión del hierro contenido en la aleación. Sin embargo, esta película puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a un ataque y oxidación del hierro por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas.

Existen muchos tipos de acero inoxidable y no todos son adecuados para aplicaciones estructurales, particularmente cuando se llevan a cabo operaciones de soldadura. Hay cinco grupos básicos de acero inoxidable clasificados de acuerdo con su estructura metalúrgica: austeníticos, ferríticos, martensíticos, dúplex y de precipitación-endurecimiento (endurecimiento por precipitación).

Los aceros inoxidables que contienen solamente cromo se llaman ferríticos, ya que tienen una estructura metalográfica formada básicamente por ferrita. Son magnéticos, y se distinguen porque son atraídos por un imán. Estos aceros, con elevados porcentajes de carbono, son templables y, por tanto, pueden endurecerse por tratamiento térmico pasando a llamarse aceros inoxidables martensíticos, por tener martensita en su estructura metalográfica.

Los aceros inoxidables que contienen más de un 7 % de níquel se llaman austeníticos, ya que tienen una estructura metalográfica en estado recocido, formada básicamente por austenita. No son magnéticos en estado recocido, y por tanto no son atraídos por un imán. Estos aceros austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando su estructura metalográfica a contener martensita. En esta situación se convierten en parcialmente magnéticos.

Los aceros inoxidables austeníticos y dúplex son, en general, los grupos más empleados en aplicaciones estructurales.

Los aceros inoxidables austeníticos proporcionan una buena combinación de resistencia a la corrosión y de las propiedades de fabricación. Los aceros inoxidables dúplex tienen una resistencia elevada y también una alta resistencia al desgaste, con una muy buena resistencia a la corrosión bajo tensión.

Comportamiento tensodeformacional básico

El comportamiento tensión-deformación del acero inoxidable difiere del comportamiento del acero al carbono en varios aspectos. La diferencia más importante reside en la forma de la curva tensión-deformación. Mientras el acero al carbono exhibe un comportamiento elástico lineal hasta su límite elástico y una zona plana antes del endurecimiento por deformación; el acero inoxidable presenta una curva tensión-deformación con forma más redondeada sin límite elástico definido.

Por ello, el límite elástico del acero inoxidable se expresa, en general, en términos de una resistencia de prueba definida para un determinado valor de deformación remanente (convencionalmente la deformación del 0,2 %).

En la siguiente figura se presentan otras curvas tensión-deformación experimentales típicas, representativas de los materiales acero al carbono y acero inoxidable. Dichas curvas no deben utilizarse en el dimensionamiento.

En cualquier caso, debe señalarse que el acero inoxidable puede absorber impactos considerables sin que sobrevenga la fractura, gracias a su excelente ductilidad (especialmente los grados austeníticos) y a sus características de endurecimiento por deformación.

1 Aceros inoxidables dúplex.............................................................. 1,4462

2 Aceros inoxidables austeníticos básicos de cromo y níquel....... 1,4301

3 Aceros inoxidables austeníticos bajos en carbono, altos en nitrógeno ......................................................................................... 1,4318

Los niveles de resistencia de los aceros inoxidables austeníticos y dúplex aumentan con el trabajado en frío (tal y como ocurre durante las operaciones de conformado en frío, incluyendo el nivelado/aplanado mediante rodillo y también durante la fabricación). Asociada a esta mejora de los niveles de resistencia se produce una reducción de la ductilidad, aunque generalmente tiene poca consecuencia gracias a los altos valores iniciales de ductilidad, especialmente para los aceros inoxidables austeníticos.

Resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables

Todos los aceros inoxidables contienen el cromo suficiente para darles características de inoxidables. Muchas aleaciones inoxidables contienen además níquel para reforzar aún más su resistencia a la corrosión. Estas aleaciones son añadidas al acero en estado de fusión para hacerlo “inoxidable en toda su masa”. Por este motivo, los aceros inoxidables no necesitan ser ni chapeados, ni pintados, ni de ningún otro tratamiento superficial para mejorar su resistencia a la corrosión. En el acero inoxidable no hay nada que se pueda pelar, ni desgastar, ni saltar y desprenderse.

EI acero ordinario, cuando queda expuesto a los elementos, se oxida y se forma óxido de hierro pulverulento en su superficie. Si no se combate, la oxidación sigue adelante hasta que el acero esté completamente corroído.

También los aceros inoxidables se oxidan pero, en vez de óxido común, lo que se forma en la superficie es una tenue película de óxido de cromo muy densa que constituye una coraza contra los ataques de la corrosión. Si se elimina esta película de óxido de cromo que recubre los aceros inoxidables, se vuelve a formar inmediatamente al combinarse el cromo con el oxígeno de la atmósfera ambiente.

Corrosión: causas y remedios

Son cinco los riesgos que amenazan el éxito del uso de los aceros inoxidables. Estos son: la corrosión intergranular, la corrosión bimetálica o galvánica, la corrosión por contacto, la corrosión por picaduras y la corrosión bajo tensión. Muchos problemas pueden ser evitados, teniendo en cuenta los riesgos involucrados y adoptando las medidas apropiadas para eliminarlos.

Corrosión intergranular

Un tratamiento térmico inadecuado del acero inoxidable puede producir una retícula de carburos en los aceros con más del 0,03 % por ciento de carbono, o sin adición de titanio o de columbio. El metal que contenga tal retícula es susceptible de corrosión intergranular, que puede resultar problemática en condiciones muy corrosivas y reducir la duración útil en muchos servicios relativamente ligeros. Los procedimientos normales de soldadura introducen en el metal la susceptibilidad a la precipitación de los carburos.

Que el acero sea susceptible de corrosión intergranular no significa necesariamente que vaya a ser atacado por ella. El resultado en servicio puede ser satisfactorio. Pero la posibilidad de corrosión intergranular deberá tenerse en cuenta siempre que no quede excluida según la experiencia previa. La precipitación de carburos puede ser eliminada por uno de los tres procedimientos indicados a continuación:

1 Por recocido: una vez terminadas las operaciones de elaboración y de soldadura, el acero deberá ser calentado hasta una temperatura lo suficientemente alta para disolver los carburos, lo que es generalmente entre 1036 ºC y 1150 ºC, para enfriarlo luego con la rapidez suficiente para evitar que se vuelva a precipitar el carburo y utilizando para ello un chorro de aire o agua. Un tratamiento térmico localizado en la zona inmediatamente adyacente a la soldadura no da resultados satisfactorios. Para un recocido efectivo, toda la pieza deberá ser calentada y apropiadamente enfriada con rapidez.

2 Utilizando acero que contenga menos de 0,03 % de carbono.

3 Utilizando un acero estabilizado: el titanio o el columbio se combinan con el carbono y evitan las precipitaciones perjudiciales. Los aceros estabilizados son necesarios para todo servicio que implique prolongadas exposiciones a las temperaturas entre 426 ºC y 871 ºC. El peligro inherente a la precipitación de carburo de cromo ha llegado a ser tan bien conocido y tan fácilmente evitado, que ocurren pocos fallos debidos a esta causa.

Recuerde

Un tratamiento térmico inadecuado del acero inoxidable puede producir una retícula de carburos en los aceros con más del 0,03 % de carbono, o sin adición de titanio o de columbio.

Corrosión galvánica

Cuando dos metales diferentes están en contacto eléctrico y a su vez conectados por medio de un electrolito (por ejemplo, un líquido conductor como el agua de mar o agua dulce impura), fluye una corriente desde el metal anódico al catódico o metal más noble a través del electrolito. Como resultado, el metal menos noble se corroe.

Este tipo de corrosión es especialmente relevante cuando se plantean uniones de acero inoxidable con acero al carbono o aceros de baja aleación. Es importante seleccionar los materiales de soldadura de modo que sean al menos tan nobles como el material base. En ambientes corrosivos en los que pudiera estar presente el agua, tales como ambientes industriales pesados, atmósferas marinas, y donde pudiera existir inmersión en agua salobre o marina, deben evitarse las uniones de aceros inoxidables austeníticos mediante tornillos martensíticos y ferríticos.

La corrosión galvánica no debiera ser un problema en aceros inoxidables, aunque a veces su prevención pueda requerir precauciones que, a primera vista, resultan sorprendentes. Para evitar la corrosión galvánica, en principio, debe impedirse el flujo de corriente:

1 Aislando los metales diferentes. Por ejemplo, rompiendo la conexión metálica.

2 Evitando la formación de puentes electrolíticos. Por ejemplo, rompiendo la conexión electrolítica con pinturas u otros recubrimientos. Cuando se persigue conseguir la protección de esta manera, y no es posible recubrir ambos metales, es preferible recubrir el más noble (por ejemplo, el acero inoxidable en el caso de unión acero inoxidable/acero al carbono).

El riesgo de un ataque profundo de corrosión es mayor si el área del metal más noble (por ejemplo, el acero inoxidable) es mayor que el área del metal menos noble (como el acero al carbono). Debe prestarse una especial atención al empleo de pinturas u otros recubrimientos sobre acero al carbono. Si existen pequeños poros o agujeros en el recubrimiento, la pequeña área de acero al carbono desnuda proporcionará relaciones de área cátodo/ánodo muy grandes, dando lugar a un severo ataque por picaduras del acero al carbono. Por supuesto, el ataque será probablemente mucho más intenso en condiciones de inmersión. Por esta razón, es preferible pintar el acero inoxidable.

Relaciones desfavorables de área tienen lugar probablemente con tornillos y en uniones. El empleo de tornillos de acero al carbono en elementos de acero inoxidable debe evitarse, ya que la relación de área del acero inoxidable en relación con el acero al carbono es grande y los tornillos estarán sujetos a un ataque agresivo. Por el contrario, la velocidad de ataque de un elemento de acero al carbono por un tornillo de acero inoxidable es mucho más lenta. Es generalmente útil apoyarse en experiencias previas en emplazamientos similares, ya que metales diferentes pueden a menudo trabajar unidos sin peligro bajo condiciones de condensación o humedad ocasional sin efectos adversos, especialmente cuando la conductividad del electrolito es baja.

La predicción de estos efectos es difícil, ya que la velocidad de corrosión se determina a partir de una serie de variables de cierta complejidad. El empleo de tablas de potencial eléctrico ignora la presencia de películas superficiales de óxido y los efectos de relaciones de área y de diferentes soluciones (electrolitos) químicas. Por esta razón, un empleo desinformado de estas tablas puede conducir a resultados erróneos. Dichas tablas deberían utilizarse de manera cuidadosa y solamente para valoraciones iniciales.

Los aceros inoxidables generalmente forman el cátodo en un enlace bimetálico y por ello no sufren corrosión. El contacto entre aceros inoxidables austeníticos y zinc o aluminio puede dar lugar a una corrosión adicional de los últimos dos metales. Es poco probable que el efecto de dicha corrosión sea significativo desde un punto de vista estructural. No obstante, el polvo blanco/gris resultante es absolutamente antiestético.

El acoplamiento con cobre debe ser en general evitado excepto bajo condiciones adecuadas no severas.

La corrosión se atribuye frecuentemente a la acción galvánica, cuando su verdadera causa es efectivamente unas condiciones anormales de operación. Así, por ejemplo, el uso de ácido clorhídrico para sustituir un material de limpieza normal puede destruir la película pasiva del acero inoxidable. En tal caso, se puede formar una celda galvánica. El volver a proyectar y a construir una pieza que sea completamente de acero inoxidable puede resultar muy costoso y la nueva pieza proyectada puede ser difícil de fabricar. Así pues, cuando aparentemente la acción galvánica sea la única causa de un desperfecto en una unidad que, demostradamente, es de un buen diseño, convendrá realizar una verificación meticulosa para cerciorarse de que todas las condiciones de operación son normales.

Recuerde

Los aceros inoxidables generalmente forman el cátodo en un enlace bimetálico y, por ello, no sufren corrosión.

Corrosión por picaduras

Como su nombre indica, la corrosión por picaduras toma la forma de pequeños hoyos localizados. Esto ocurre como resultado de la rotura local de la capa pasivante, normalmente por iones cloruro, aunque otros haluros y otros aniones pueden tener un efecto similar. Durante el desarrollo de una picadura, los productos corrosivos pueden crear una solución muy corrosiva, que a menudo conduce a procesos de corrosión de alta velocidad. Sin embargo, en la mayoría de aplicaciones estructurales, las picaduras suelen ser solo superficiales y la reducción de sección es despreciable. Por otra parte, los productos corrosivos pueden ensuciar los principales rasgos arquitectónicos de una obra. En estructuras de canalización, tuberías y contenedores debe adoptarse una tolerancia menor en cuanto a la corrosión por picaduras.

Dado que el ión cloruro es, con diferencia, el causante más común del ataque por picaduras, los ambientes costeros y marinos son bastante agresivos. La probabilidad de que un cierto entorno provoque ataque por picaduras depende, además del contenido de cloruros, de factores tales como la temperatura, la acidez o la alcalinidad y el contenido de gases oxidantes. La resistencia al ataque por picaduras de un acero inoxidable depende de su composición química. El cromo, el molibdeno y el nitrógeno mejoran la resistencia al ataque por picaduras.

Una medida aproximada de la resistencia al ataque por picaduras viene dada por el Índice de Picaduras o Equivalente a la resistencia al ataque por picaduras (Pitting Resistance Equivalent, PRE) definido como:

La determinación del PRE de un acero inoxidable permite llevar a cabo un análisis comparativo entre los diferentes aceros inoxidables.

El acero de grado 1,4301 tiene el PRE más bajo que muchos aceros y no es, por tanto, el grado más adecuado para aplicaciones arquitectónicas en ambientes marinos excepto, quizás, para elementos estructurales internos protegidos de forma efectiva de espuma marina y niebla. El acero de grado 1,4301 también puede presentar niveles inaceptables de picaduras en atmósferas industriales severas y, por consiguiente, será preferible seleccionar el acero de grado 1,4401 o acero dúplex.

Corrosión bajo tensión

El desarrollo de la corrosión bajo tensión (Stress Corrosion Cracking, SCC) requiere de la existencia simultánea de tensiones de tracción y de factores ambientales específicos que difícilmente se encuentran en condiciones ambientales normales de edificación. Las tensiones no necesitan ser altas en relación con la tensión de prueba del material y pueden estar generadas por cargas y durante los procesos de fabricación tales como soldadura o el doblado.

Los aceros inoxidables dúplex muestran generalmente una mayor resistencia a la corrosión bajo tensión que los aceros austeníticos más habituales. Se han desarrollado aceros inoxidables austeníticos con aleaciones superiores, como por ejemplo los grados 1,4539, 1,4529, 1,4547 y 1,4565, para aplicaciones en las que existe riesgo de corrosión bajo tensión.

Proyecto y fabricación. Cómo reducir al mínimo la corrosión

La medida más importante a tomar para prevenir los problemas que puede ocasionar la corrosión es seleccionar adecuadamente el grado de acero inoxidable con los procedimientos de fabricación idóneos para el ambiente que se prevea. En cualquier caso, tras la selección adecuada de un determinado acero, se conseguirá hacer uso de todo el potencial de resistencia a corrosión que puede ofrecer dicho acero, si tal selección viene acompañada por buenos detalles constructivos. Las medidas anticorrosivas a adoptar deberían estar presentes en la fase de planteamiento del proyecto y obra y en el desarrollo y diseño de todos los detalles constructivos.

Los problemas debidos a la corrosión pueden ser eliminados frecuentemente, modificando de forma apropiada el diseño sin necesidad de cambiar el tipo de acero.

Algunos de los parámetros de diseño a tener en cuenta son: la forma de las juntas, la continuidad de la superficie y la concentración de las tensiones. Las soldaduras a tope son preferibles a las soldaduras en solape, y es imprescindible utilizar buenos métodos de soldadura. Se reducirá al mínimo el uso de piezas complementarias, tales como planchas o placas de refuerzo rodeadas de costuras o cordones de soldadura para evitar tensiones biaxiales que resultan difíciles de eliminar por tratamiento térmico.

Todo el equipo deberá limpiarse meticulosamente para eliminar toda contaminación producida por óxidos, polvo de hierro, partículas procedentes de las herramientas, fundente de soldadura, suciedades y substancias orgánicas.

Estas substancias extrañas pueden ser eliminadas limpiándolas a chorro o por decapado.

Una buena solución para el decapado consiste en el 10 % de ácido nítrico y el 1 % de ácido fluorhídrico.

Los resultados de los ensayos de laboratorio solamente podrán servir de guía debido a la dificultad de reproducir las condiciones que se presentan verdaderamente en la práctica.

Los datos publicados sobre la corrosión como resultado de distintos ensayos, pueden estar basados en unas condiciones químicas, temperaturas, velocidades y aireación que difieran de las reales. Por este motivo, y siempre que sea posible, se deberá utilizar, para los ensayos prácticos, procedimientos similares o comparables a los que se darán en la realidad. Convendrá realizar ensayos de fatiga a probetas con corrosión, sometiéndolas a varios niveles de esfuerzo o tensión con el fin de poder apreciar la susceptibilidad del acero al agrietamiento una vez terminadas de fabricar.

Sabía que...

Los tornillos, arandelas y elementos de anclaje de la estructura normalmente están hechos de acero inoxidable.