El agrietamiento inducido por hidrógeno (HIC) es un fenómeno que afecta la integridad y la vida útil de diversas estructuras metálicas, especialmente en la industria petroquímica y de energía. Este problema puede causar fallas catastróficas si no se identifica y trata adecuadamente. En este artículo, analizaremos las causas del HIC, sus efectos y cómo prevenirlo en estructuras metálicas.
¿Qué es el Agrietamiento Inducido por Hidrógeno (HIC)?
El agrietamiento inducido por hidrógeno es un tipo de falla que ocurre en metales cuando el hidrógeno atómico se difunde en el material y luego se combina para formar moléculas de hidrógeno en áreas de alta tensión. Este proceso puede generar presiones internas tan altas que pueden causar la formación de grietas y, en última instancia, la falla del material.
Causas del HIC
Existen varias causas que pueden conducir a la formación de HIC en estructuras metálicas. Algunas de las causas más comunes incluyen:
- Corrosión: La corrosión puede liberar hidrógeno en el material, lo que aumenta el riesgo de HIC. La corrosión puede ser causada por diversos factores, como la exposición a entornos húmedos o agresivos químicamente.
- Soldadura: Durante el proceso de soldadura, el calor generado puede descomponer la humedad presente en el metal y liberar hidrógeno. Si no se toman las precauciones adecuadas, el hidrógeno puede quedar atrapado en el material y causar HIC.
- Procesos de fabricación: Algunos procesos de fabricación, como la galvanoplastia o el decapado, pueden introducir hidrógeno en el metal.
- Sobrecarga mecánica: La aplicación de cargas mecánicas excesivas puede causar la concentración de hidrógeno en áreas de alta tensión, lo que aumenta el riesgo de HIC.
Efectos del HIC
El HIC puede tener varios efectos negativos en las estructuras metálicas, que incluyen:
- Reducción de la resistencia a la tracción: La presencia de grietas inducidas por hidrógeno puede reducir la resistencia a la tracción del material y aumentar el riesgo de falla.
- Disminución de la ductilidad: El HIC puede reducir la ductilidad del material, lo que lo hace más susceptible a fallas frágiles.
- Fallas catastróficas: En casos extremos, el HIC puede provocar la falla repentina y catastrófica de la estructura, lo que puede resultar en pérdidas económicas significativas y riesgos para la seguridad.
Prevención del HIC
Existen varias estrategias para prevenir el HIC en estructuras metálicas:
- Selección adecuada de materiales: Algunos metales son más susceptibles al HIC que otros. Seleccionar materiales con baja susceptibilidad al HIC, como aceros de baja aleación y aceros inoxidables austeníticos, puede ayudar a reducir el riesgo.
- Control de corrosión: Implementar medidas para controlar la corrosión, como recubrimientos protectores y sistemas de protección catódica, puede minimizar la liberación de hidrógeno.
- Técnicas de soldadura adecuadas: Utilizar electrodos de bajo hidrógeno y mantener la humedad baja durante la soldadura puede reducir la cantidad de hidrógeno que ingresa al metal.
- Tratamientos térmicos: La aplicación de tratamientos térmicos, como el alivio de tensiones o el recocido, puede ayudar a liberar el hidrógeno atrapado y reducir el riesgo de HIC.
- Diseño y análisis de esfuerzos: Diseñar estructuras metálicas teniendo en cuenta las cargas mecánicas y los esfuerzos a los que estarán sometidas puede ayudar a minimizar la concentración de hidrógeno y el riesgo de HIC.
¿Qué es el agrietamiento inducido por hidrógeno (HIC)?
El problema más grave de soldabilidad en aceros al carbono y de baja aleación es el agrietamiento inducido por hidrógeno en la zona afectada por el calor del metal base.
El agrietamiento por HIC a menudo ocurre después de que se ha completado la soldadura y la soldadura se ha enfriado. Se encuentra debajo del cordón de soldadura y no se detecta fácilmente.
Muchas fallas de servicio debidas a fatiga y fractura frágil se han atribuido a grietas preexistentes en la ZAT. Estas grietas han provocado la fractura de recipientes a presión durante las pruebas hidráulicas y el colapso de puentes y tanques de almacenamiento en servicio.
El agrietamiento inducido por hidrógeno (HIC) también se conoce como:
- Agrietamiento en frío , porque ocurre cuando el metal se ha enfriado por debajo de 150°C
- Agrietamiento retardado , porque su formación a veces se retrasa 20 horas o más,
- Agrietamiento debajo del cordón, porque en la mayoría de los casos se encuentra en la ZAT debajo del cordón de soldadura.
- Fragilización por hidrógeno
- Formación de ampollas de hidrógeno
Fenómenos de ocurrencia de agrietamiento HIC
HIC ocurre en la HAZ cuando:
a) Hay suficiente hidrógeno presente en el arco de soldadura. El hidrógeno se deriva de materiales orgánicos y minerales que tienen agua químicamente combinada que se usa en el recubrimiento de electrodos manuales o fundente en SAW o alambres con núcleo de fundente.
La principal fuente, sin embargo, es la humedad que está inevitablemente presente en todos los tipos de fundentes. El aceite, la grasa, la pintura y la humedad en la superficie del metal base o en la superficie del alambre del electrodo también pueden generar hidrógeno durante la soldadura.
b) Esfuerzos de contracción, complementados con otros esfuerzos desarrollados como resultado de la restricción de la junta, actuando sobre la soldadura.
c) Se desarrolla una microestructura lo suficientemente dura y quebradiza en la ZAT como resultado de su calentamiento a una temperatura superior a A, y su enfriamiento rápido. Los sitios habituales de agrietamiento de HAZ en soldaduras a tope y de filete suelen estar debajo del cordón, por lo que se denomina agrietamiento debajo del cordón.
Las grietas también pueden ocurrir en las soldaduras si su contenido de aleación es alto y están presentes las condiciones que conducen al agrietamiento de la ZAT como se enumeran anteriormente. Parecen ser transgranulares bajo el microscopio.
Factores que causan el agrietamiento de HIC
El agrietamiento inducido por hidrógeno se produce cuando se presentan las siguientes condiciones:
- Microestructura dura: por ejemplo, martensita
- Tensiones residuales
- hidrógeno molecular
Tomando acero de una composición y espesor particulares, la tasa de entrada de calor junto con el precalentamiento, si es necesario, debe elegirse de manera que se evite la formación de martensita en la ZAT.
La martensita no es aceptable porque es quebradiza. Además, en presencia de hidrógeno y tensiones inducidas por restricciones, puede causar agrietamiento en frío retardado en la ZAT.
El hidrógeno se genera en el arco de soldadura por la disociación de la humedad presente en el revestimiento del electrodo o el fundente del arco sumergido, o por la combustión de compuestos orgánicos que a veces están presentes en los revestimientos de los electrodos del tipo rutilo y celulósico.
El hidrógeno también se genera a partir del aceite y la grasa, que pueden existir en los bordes de la placa o en el alambre de soldadura desnudo.
¿Cómo controlar el agrietamiento de HIC?
El agrietamiento inducido por hidrógeno puede ser controlado por,
- (1) utilizando electrodos controlados por hidrógeno y consumibles de soldadura por arco sumergido secos y limpios,
- (2) por el control del diseño conjunto, y
- (3) por enfriamiento retardado de la HAZ después de la transformación para permitir que el hidrógeno se difunda.
Recuerde que la eliminación de hidrógeno por encima de la temperatura de transformación no es posible porque la velocidad de difusión del hidrógeno en la austenita es demasiado baja.
El fenómeno del agrietamiento inducido por hidrógeno y los métodos para prevenir su aparición se explicarán detalladamente en el Capítulo 10, página 516.
A veces, es necesario soldar aceros templables bajo restricción, donde es probable que ocurra la formación de martensita y el agrietamiento en frío incluso después de usar los mejores procedimientos de soldadura y electrodos controlados por hidrógeno.
En tales casos, el remedio consiste en garantizar un enfriamiento retardado de la ZAT extendiendo el precalentamiento al poscalentamiento sin interrupción.
La temperatura de poscalentamiento de 200 °C mantenida durante varias horas (hasta un máximo de diez horas) eliminará todo el hidrógeno, mientras que elevar esta temperatura a 600 °C para aliviar la tensión de la fabricación eliminará todo el hidrógeno en aproximadamente una hora.
Se debe insistir en el alivio de tensiones cuando la martensita quebradiza (aunque no agrietada) en la ZAT pueda poner en peligro la seguridad de la estructura en servicio.
Prueba de agrietamiento inducido por hidrógeno
La prueba de agrietamiento inducido por hidrógeno se proporciona en NACE TM0284. Este estándar cubre los requisitos completos para la prueba HIC, incluida la preparación de la muestra, el tamaño de la muestra, la duración de la prueba y las condiciones de la prueba.
En conclusión, el agrietamiento inducido por hidrógeno es un problema serio que puede afectar la integridad y la vida útil de las estructuras metálicas. Comprender las causas y los efectos del HIC es esencial para desarrollar estrategias efectivas de prevención y garantizar la seguridad y el rendimiento a largo plazo de las estructuras en diversas industrias.
