degradacion microestructural en servicio de un acero al carbono de

Acta Microscopica Vol 16 No1-2,(Supp.2)2007
Cusco-Peru September 2007
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DEGRADACION MICROESTRUCTURAL EN SERVICIO DE UN ACERO AL CARBONO DE
BAJA ALEACION, DEBIDO A FENOMENOS DE CREEP Y METAL DUSTING
Rudy R. Castillo M (1). y Deamelys Belmonte (2)
(1) Docente Titular del Departamento de Metalurgia de la UNEXPO. Actualmente asesor del Ministerio de
Ciencia y Tecnología FUNDACITE Bolívar ([email protected]) (2) Coordinadora del laboratorio de
Metalografía de la UNEXPO- Puerto Ordaz
Los aceros de baja y alta aleación expuestos a temperatura constante en atmósferas de gases carburizantes
(CO, CH4, etc.) están sujetos a fenómenos conocidos como “fluencia lenta o Creep” y al fenómeno de
carburización catastrófica denominado “metal dusting”. El fenómeno de “metal dusting” es objeto de
numerosos estudios para explicar su cinética y mecanismos involucrados. Normalmente los autores
coinciden en afirmar que en el caso de aceros de baja aleación se presentan las siguientes etapas: 1.Sobresaturación de la fase metálica por carbono proveniente de la fase gaseosa, 2.- Disminución en la
estabilidad de la cementita y carburos presente debido a que la actividad del carbono(ac), en la superficie y
zonas localizadas del material, tiende a la unidad, 3.- Descomposición de la cementita por la reacción Fe3C
= 3Fe + C, formándose grafito y partículas metálicas. Estas últimas actúan como catalizadores para
incrementar la deposición de grafito. La descomposición de la cementita u otros carburos fue inicialmente
propuesta por Hochman, et al [1]. Igualmente Hultgren, et al y Pippel, et al [2] evaluaron la desintegración
de la fase sobresaturada de carbono en aceros debido a la grafitización interna. Yin y Szakálos, et al, han
evaluados aspectos termodinámicos del defecto[3].
El creep , también conocido como fluencia lenta es una degradación del material por una relación compleja
de las variables: tiempo, temperatura y carga. Como en otros proceso térmicos se puede aplicar la ecuación
básica de Arrhenius : Φ= A e –Ea/kT la cual debe ser ajustada ya que el creep no es un fenómeno
termodinámico simple. Debido a la temperatura, con el transcurrir del tiempo, las vacancias en el material
tienden a generase y a migrar hacia los bordes de grano donde finalmente para disminuir la energía del
sistema cohalecen formando microhuecos que debilitan al material, paralelamente debido a la carga
aplicada el material se deforma . El proceso de deformación cumple tres etapas distintas. Una expresión
matemática de la deformación expresada en función de la carga aplicada (σ) y el tiempo (t) es la siguiente:
En el presente trabajo se evaluó con técnicas fractográficas, metalografía cuantitativa, microscopia
electrónica de barrido y EDX, el deterioro que sufrió una tubería de acero al carbono de baja aleación que
pertenecía a un horno que calienta el gas de regeneración (645PSI y 350°C) en una planta criogénica.
Mediante la microscopia electrónica y los análisis con EDX se perseguía determinar con mayor resolución
las variaciones morfológicas y microestructurales que se presentaban en la tubería, así como su relación con
la composición química presente. Adicionalmente se perseguía obtener información sobre la naturaleza
química de los depósitos que se observan en la tubería al ser sometida a ensayos macroscópicos y de
microscopía óptica. La investigación permitió establecer los mecanismos de degradación del material y
proponer medidas correctivas que minimicen la falla de la tubería en servicio.
Al evaluar el defecto presentado en el acero, se aprecian principalmente los siguientes hechos:
1. Existe un alto nivel de decohesión intergranular, la cual es principalmente ocasionada por la formación
de microcavidades o microporos. Estos microporos confirman que la tubería sufre del fenómeno
conocido como “Creep” o fluencia lenta, los cuales se producen por fenómenos difusivos en metales
expuestos por mucho tiempo a temperaturas elevadas, que es el caso de las tuberías evaluadas. Asociado
al creep se producen procesos corrosivos, ya que la decohesión y las características del medio (químico y
físico), favorecen la oxidación, sulfurización y grafitización o formación de hollín en el acero (metal
dusting). El proceso sinérgico antes mencionado favorece la degradación del acero y la pérdida de
espesor útil. El material sufrirá deformación (abombamiento) debido a la pérdida de resistencia
mecánica. Los microporos favorecen la difusión de las fases gaseosas y/o elementos químicos en
solución, lo cual favorece fenómenos corrosivos, la degradación química, mecánica y la consecuente
pérdida de espesor de la tubería.
2. La perlita que debe estar presente como microconstituyente en este acero ha desaparecido. Esto es
consecuencia de la descomposición de la cementita. Queda así el acero compuesto principalmente por
una matriz ferrítica, lo que asociado a la pérdida de espesor provoca la una disminución drástica de la
resistencia de la tubería.
3. La evaluación en la superficie interna muestra la presencia de un depósito multicapa, característicos de
procesos topoquímicos controlados por difusión. Se aprecia la formación de una interfase cercana al
material base (acero del tubo), seguida de dos capas secuenciales de óxidos complejos. Los análisis
químicos en esa zona (EDX) y su variación en las capas sucesivas nos permiten plantear que el proceso
de oxidación es ocasionado por una degradación del acero debido a un proceso de carburización (metal
dusting).
Planteamos como conclusión en base a las evidencias disponibles que la tubería sufrió un proceso de Creep
y de corrosión activada por carbono y oxigeno. La tubería durante los años de servicio fue experimentando
un proceso de migración de vacancias que se alojaron preferencialmente en los bordes de grano,
posteriormente las vacancias coalecieron formando microporos y generando decohesión intergranular.
dadas las características del gas de proceso y las temperaturas de servicio se favorecen procesos difusivos
de carbono, los cuales son sinergizados por la decohesión intergranular. El carbono difunde en el metal
desde la fase gaseosa generando una sobresaturación en el acero (metal dusting). En esta condición los
carburos presentes (Cementita) se disuelven y se oxidan selectivamente liberando carbono en forma de
hollín. El hecho de que en la tubería se observe un incremento de azufre, refuerza nuestra hipótesis
1.- R. F. Hotchman, “Basic studies of metal dusting deterioration in carbonaceous environments at elevated
temperatures”,Proc. Of the 4TH Int. Congresss on Met. Corr, Amsterdam, The Netherlands, pp 259-263 (1972)
2.- E. Pippel et al, “Micromechanisms of metal dusting” Mat.. and Corr., vol 49, No. 5, pp 309-316 (1998)
3.- P Szakálos “ Mechanismisms and driving forces of metal dusting”. Mat. and Corr. , Vol 54, No 10, pp. 752762.(2003)
4.- Yin, R. Thermodinamic aspects of iron in metal dusting.Oxidation of metals, Vol 60,No 1 / 2, pp 103-116
(2003)