Entender la Corrosión —
Galvánica, por Picaduras, por Resquicio
y Erosión-Corrosión

La mayoría de los fallos por corrosión son evitables. No mediante el uso de materiales costosos, no especificando aleaciones exóticas, sino entendiendo lo que realmente sucede en la superficie del metal y tomando decisiones de diseño que eliminan las condiciones bajo las cuales opera cada mecanismo. Los fallos que no podrían haberse evitado son raros. Los fallos que ocurrieron porque alguien puso dos metales diferentes en contacto, o dejó un resquicio donde el fluido podía estancarse, o ignoró el límite de velocidad para la aleación elegida en el fluido especificado —estos constituyen el grueso de lo que se investiga a posteriori.

Este artículo cubre los cuatro mecanismos de corrosión responsables de la mayoría de los fallos de ingeniería evitables en plantas de proceso, tuberías, y equipos fabricados. Para cada uno: el mecanismo, las condiciones requeridas para que opere, las combinaciones de material y diseño más vulnerables, y las decisiones prácticas de diseño que lo previenen.

Corrosión General Uniforme — La Línea Base

Antes de los cuatro mecanismos específicos, vale la pena establecer la corrosión general como caso base. La corrosión general (o uniforme) es la eliminación uniforme y predecible de metal de una superficie expuesta mediante ataque químico o electroquímico. La oxidación del acero al carbono en agua es el ejemplo más familiar. La tasa es relativamente predecible para una combinación metal-entorno dada, medida en milímetros por año (mm/año) o mils por año (mpy), y la respuesta de diseño es sencilla: añadir un sobreespesor de corrosión al espesor de pared calculado suficiente para durar la vida útil de diseño prevista.

La corrosión general es el modo menos peligroso porque es predecible y da una advertencia visible. Los cuatro mecanismos cubiertos a continuación son más peligrosos precisamente porque están localizados, son acelerados, y a menudo se producen con poca o ninguna advertencia previa en la superficie externa del componente.

Corrosión Galvánica

El Mecanismo

Cuando dos metales diferentes están en contacto eléctrico en presencia de un electrolito (cualquier líquido conductor —agua, fluido de proceso, humedad en una superficie), forman una celda electroquímica. El metal menos noble (el ánodo) se corroe preferentemente —se oxida y cede iones metálicos al electrolito— mientras que el metal más noble (el cátodo) está protegido. La fuerza impulsora es la diferencia de potencial entre los dos metales en la serie galvánica. Cuanto mayor es la diferencia de potencial, más agresivo es el ataque galvánico sobre el ánodo.

La Serie Galvánica

La serie galvánica clasifica metales y aleaciones según su potencial electroquímico en agua de mar. Los metales en el extremo activo (anódico) se corroen preferentemente; los metales en el extremo noble (catódico) están protegidos. Del más activo al más noble, el orden aproximado de materiales de ingeniería comunes:

Magnesio → Zinc → Aluminio → Acero al carbono → Hierro fundido → Acero de baja aleación → Inoxidable 316 (activo) → Plomo → Estaño → Cobre → Latón → Bronce → Monel → Plata → Titanio → Platino → Oro → Inoxidable 316 (pasivo)

La separación entre dos materiales en esta serie determina la severidad del ataque galvánico. El acero al carbono y el cobre en contacto en agua de mar forman un par particularmente agresivo —el acero se corroe rápidamente. El aluminio y el acero inoxidable en contacto atacarán al aluminio. El acero al carbono y el zinc forman un acoplamiento deliberado —el zinc es el ánodo de sacrificio en la galvanización, protegiendo al acero.

Lo Que Lo Empeora

La relación de área cátodo-ánodo es crítica. Un ánodo pequeño acoplado a un cátodo grande acelera severamente la corrosión del ánodo —la gran área catódica impulsa una corriente alta a través de una pequeña área anódica, concentrando el ataque. Un perno de acero en una placa de aleación de cobre es mucho más peligroso que un perno de cobre en una placa de acero. El modo de fallo clásico: los elementos de fijación de acero inoxidable en una brida de acero al carbono son relativamente benignos (cátodo noble pequeño, ánodo activo grande). Los pernos de acero al carbono en una brida de acero inoxidable —el perno de acero es el ánodo pequeño con una gran brida inoxidable catódica impulsando el ataque— se corroerán agresivamente.

Prevención

• Evitar pares de metales diferentes donde sea posible —usar la misma aleación en todo un sistema
• Donde deban unirse metales diferentes, aislarlos eléctricamente —juntas de aislamiento de PTFE, manguitos de perno de nylon, y bridas de aislamiento entre tuberías de acero al carbono y de inoxidable o aleación de cobre
• Si no se puede evitar el par, hacer que el ánodo sea grande en relación con el cátodo —nunca al revés
• Aplicar revestimientos al cátodo (no al ánodo —una rotura en un revestimiento del ánodo concentra dramáticamente el ataque)
• Usar ánodos de sacrificio deliberadamente —ánodos de zinc en estructuras de acero en agua de mar, ánodos de magnesio en tuberías enterradas
• Reducir o eliminar el electrolito —los ensamblajes secos son galvánicamente inertes

Corrosión por Picaduras

El Mecanismo

La corrosión por picaduras es un ataque electroquímico localizado que produce pequeñas cavidades profundas (picaduras) en una superficie por lo demás intacta. Es el modo de fallo característico de las aleaciones pasivas —aceros inoxidables, aleaciones de aluminio, aleaciones de níquel— en presencia de iones agresivos específicos, más comúnmente cloruros. La película de óxido pasiva que confiere al acero inoxidable su resistencia a la corrosión se rompe localmente en defectos microscópicos o heterogeneidades de la película. Una vez que la película se rompe en un punto, el metal desnudo debajo queda expuesto al electrolito y se convierte en un ánodo pequeño y altamente activo. La superficie pasiva intacta circundante actúa como cátodo. La relación de área muy desfavorable (picadura anódica diminuta, gran superficie pasiva catódica) impulsa un ataque localizado intenso —la picadura crece rápidamente hacia abajo mientras la superficie circundante permanece visualmente sin marcar.

Número Equivalente de Resistencia a la Picadura (PREN)

La susceptibilidad de los aceros inoxidables y aleaciones de níquel a la corrosión por picaduras en entornos clorurados se caracteriza por el Número Equivalente de Resistencia a la Picadura:

PREN = %Cr + 3,3×%Mo + 16×%N

Un PREN más alto indica mejor resistencia a las picaduras. Como guía práctica:

• 304L (PREN ~18) —adecuado para entornos con bajo contenido de cloruros (<100 ppm Cl⁻ típicamente)
• 316L (PREN ~25) —resistencia mejorada, adecuado para cloruros moderados. La mejora estándar respecto al 304L para corrientes de proceso que contienen cloruros.
• Dúplex 2205 (PREN ~35) —significativamente mejor, adecuado para inyección de agua de mar y servicio de cloruros moderadamente agresivo
• Súper Dúplex 2507 (PREN ~43) —servicio de agua de mar, agua producida, entornos de cloruros agresivos
• Aleación 625 (PREN ~51) —entornos de cloruros altamente agresivos, marino, gas ácido

La temperatura afecta significativamente la susceptibilidad a las picaduras —la temperatura crítica de picadura (CPT) es la temperatura por encima de la cual se inicia la picadura en una solución de ensayo estándar. El 316L se pica fácilmente en agua de mar cálida por encima de ~25°C; el 2205 es fiable hasta ~50°C; el 2507 y aleaciones de PREN más alto extienden esto a 80°C y superior.

Prevención

• Seleccionar una aleación con PREN apropiado a la concentración de cloruros y la temperatura —no la aleación más barata que se parece al inoxidable
• Mantener la velocidad del fluido por encima de la velocidad crítica de deposición para evitar la concentración de cloruros bajo depósitos estancados
• Evitar la contaminación superficial durante la fabricación —la contaminación por hierro de herramientas de acero al carbono inicia la picadura en el inoxidable. Herramientas dedicadas, pasivación tras la fabricación, y ausencia de partículas de hierro incrustadas son requisitos de control de proceso para la fabricación de inoxidable
• Mantener la película pasiva —evitar daño mecánico, decoloración de soldadura (mancha térmica), y resquicios donde la película pasiva no pueda mantenerse

Corrosión por Resquicio

El Mecanismo

La corrosión por resquicio ocurre en espacios confinados —la holgura bajo una junta de estanqueidad, el área de contacto entre dos placas superpuestas, el espacio bajo una cabeza de perno, el anillo entre un tubo y una placa de tubos— donde el electrolito está presente pero el intercambio de fluido con el entorno general está restringido. El mecanismo implica el agotamiento progresivo de oxígeno en el resquicio (el oxígeno se consume por la reacción de corrosión y no puede reponerse desde el fluido estancado en el resquicio) y la acumulación de iones agresivos (particularmente cloruros, que migran al resquicio para mantener la neutralidad eléctrica a medida que se producen iones metálicos). El resultado es un entorno ácido, agotado de oxígeno, enriquecido en cloruros dentro del resquicio —condiciones que rompen la película pasiva y producen un ataque localizado intenso en las paredes del resquicio.

La corrosión por resquicio es particularmente insidiosa porque ocurre en ubicaciones que no son inspeccionables visualmente en servicio. Para cuando se detecta —generalmente durante una parada de mantenimiento, cuando se retira una junta o se desmonta un accesorio— el daño puede ya haber atravesado la pared.

Holgura Crítica de Resquicio

La corrosión por resquicio requiere una holgura lo suficientemente estrecha como para restringir el intercambio de fluido (típicamente <0,1–0,5mm para la mayoría de combinaciones aleación-electrolito) pero lo suficientemente amplia para que el electrolito pueda entrar. Un contacto metal-metal perfectamente ajustado sin holgura no es un resquicio. Una holgura muy amplia con libre circulación de fluido no es un resquicio. El rango peligroso es la holgura estrecha que atrapa electrolito estancado —exactamente la geometría producida por una junta blanda estándar, una fijación de soldadura en ángulo, o una unión superpuesta.

Prevención

• Eliminar resquicios mediante el diseño —soldaduras a tope en lugar de soldaduras en ángulo, soldaduras de penetración completa en las uniones tubo-placa de tubos, accesorios montados al ras, eliminación de ramales muertos y zonas estancadas
• Usar materiales de junta no metálicos que se ajusten estrechamente a la cara de la brida y eliminen la holgura en el diámetro interior de la junta —las juntas espirometálicas con topes de compresión son mejores que las juntas planas cortadas
• Donde no puedan eliminarse los resquicios, sellarlos —soldar la holgura cerrada, rellenar con un sellador compatible, o mantener un biocida en el fluido para suprimir el crecimiento biológico que de otro modo aceleraría el ataque
• Usar aleaciones de PREN más alto en geometrías propensas a resquicios —la temperatura crítica de resquicio para una aleación dada es siempre menor que la temperatura crítica de picadura para la misma aleación, por lo que una aleación que resiste la picadura en superficies abiertas puede aún sufrir ataque por resquicio a la misma temperatura
• Evitar pintar sobre superficies que contienen resquicios —una rotura de pintura en un resquicio crea un pequeño ánodo en una gran superficie catódica pintada, concentrando el ataque exactamente en la geometría más vulnerable

Erosión-Corrosión

El Mecanismo

La erosión-corrosión es la acción combinada y sinérgica de la erosión mecánica (eliminación física de metal por flujo de fluido, partículas arrastradas, o cavitación) y la corrosión electroquímica. Los dos mecanismos se aceleran mutuamente: la erosión elimina el producto de corrosión protector o la película pasiva de la superficie metálica, exponiendo metal fresco al ataque corrosivo. La corrosión entonces ataca la superficie recién expuesta, produciendo una superficie ablandada o picada que es más susceptible al siguiente ciclo de erosión. La tasa de ataque combinada es típicamente mayor que la suma de las dos tasas individuales.

Dónde Ocurre

La erosión-corrosión se concentra en los cambios de geometría de flujo donde la velocidad, la turbulencia, o el impacto son más altos:

• El extradós de los codos —particularmente codos de radio pequeño— donde el fluido impacta sobre la pared exterior
• Aguas abajo de placas de orificio, válvulas de control, y restricciones de flujo donde la turbulencia es alta
• Rodetes de bomba, particularmente en servicio de lodos o cargado de partículas
• Entradas de tubos de intercambiador de calor —los primeros 100–150mm de tubo aguas abajo de la placa de tubos de entrada
• Uniones en T donde un flujo de ramal impacta sobre el tramo principal

Límites de Velocidad

Cada combinación material-fluido tiene una velocidad crítica por encima de la cual la erosión-corrosión se vuelve significativa. Superar esta velocidad produce un ataque acelerado al que ningún sobreespesor de corrosión puede hacer frente —la tasa no es lineal, y el sobreespesor de corrosión se consumirá mucho más rápido de lo que predice la tasa de corrosión general. Límites de velocidad máxima indicativos para combinaciones comunes de material-fluido:

Lodos y Fluidos Cargados de Partículas

Las partículas sólidas arrastradas reducen dramáticamente el umbral de velocidad para la erosión-corrosión. La dureza, el tamaño, la forma, y la concentración de las partículas afectan todas a la tasa de ataque. Las partículas angulares (cuarzo, alúmina) son más dañinas que las partículas redondeadas de tamaño equivalente. Para servicio de lodos, el revestimiento de caucho, el revestimiento cerámico, o la fundición blanca de alto cromo son los materiales estándar; el acero inoxidable generalmente no es lo suficientemente duro como para resistir la erosión por lodos a concentraciones moderadas.

Prevención

• Mantener la velocidad por debajo del límite crítico para la combinación material-fluido
• Usar codos de radio largo en lugar de radio corto —el ángulo de impacto en el extradós es menor y el ataque se distribuye en un área mayor
• Orientar inyecciones y ramales de modo que el flujo entrante no impacte a 90° en la pared opuesta del tramo principal
• Especificar objetivos de erosión reemplazables (carretes de inspección sacrificables o cupones de corrosión) en ubicaciones conocidas de alto ataque
• Seleccionar materiales más duros o más resistentes en los cambios de geometría —recubrimiento duro o revestimiento de stellite en asientos y tapones de válvula, rodetes de fundición blanca de alto cromo en bombas de lodos
• Eliminar o reducir las partículas arrastradas —coladores aguas arriba de válvulas de control y bombas, eliminación de arena y grava de los sistemas de agua de mar

Agrietamiento por Corrosión Bajo Tensión — El Mecanismo Adicional

Ningún artículo sobre mecanismos de corrosión está completo sin mencionar el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC), aunque quede fuera de los cuatro mecanismos principales. El SCC es la acción combinada de un material susceptible, un entorno corrosivo específico, y tensión de tracción —los tres deben estar presentes simultáneamente. Elimine cualquiera de los tres y el SCC no ocurre.

Las combinaciones más importantes en ingeniería de procesos:

• Acero inoxidable austenítico + cloruros + tensión de tracción —el sistema clásico de SCC. Los recipientes y carcasas de intercambiador de calor de acero inoxidable se agrietan en presencia de fluidos que contienen cloruros (incluyendo atmósferas húmedas con contaminación por cloruros) bajo tensión de tracción residual o aplicada. La temperatura por encima de ~60°C acelera el ataque dramáticamente. El tratamiento térmico postsoldadura (PWHT) o el alivio de tensiones reduce la tensión residual y reduce significativamente la susceptibilidad, pero no puede eliminarla donde la tensión aplicada es alta.
• Acero al carbono + sulfuro de hidrógeno (H₂S) + tensión —agrietamiento por sulfuros bajo tensión (SSC), regido por NACE MR0175 / ISO 15156. Los aceros de alta resistencia son los más susceptibles. Se imponen límites de dureza (típicamente ≤22 HRC para el metal base, ≤35 HRC para los depósitos de soldadura) en servicio ácido para prevenir el SSC.
• Aleaciones de cobre + amoníaco + tensión —agrietamiento estacional. Los componentes de aleación de cobre en entornos amoniacales bajo tensión se agrietan. Relevante en plantas de refrigeración e instalaciones de fertilizantes.

Reuniéndolo Todo — Una Lista de Verificación de Diseño contra la Corrosión

Para cualquier diseño nuevo que implique servicio corrosivo, las siguientes preguntas identifican los riesgos más significativos antes de que se trace una línea:

1. ¿Hay metales diferentes en contacto eléctrico? ¿Cuál es el electrolito? ¿Cuál es la relación de área? ¿Pueden aislarse?
2. ¿Contiene el fluido cloruros? ¿Cuál es la temperatura? ¿Qué PREN se requiere para la selección de la aleación inoxidable?
3. ¿Dónde están los resquicios? Juntas, soldaduras en ángulo, conexiones embridadas, accesorios roscados —¿puede eliminarse alguno mediante rediseño?
4. ¿Cuál es la velocidad del fluido en codos, reductores, salidas de válvulas, y entradas de tubos de intercambiador de calor? ¿Supera la velocidad crítica de erosión-corrosión para el material?
5. ¿Hay tensiones de tracción en un material susceptible en un entorno corrosivo específico? ¿Es el SCC un riesgo?

Resumen

La corrosión galvánica requiere dos metales diferentes, un electrolito, y contacto eléctrico —elimine cualquiera de ellos y se detiene. La corrosión por picaduras requiere una aleación pasiva, cloruros, y condiciones estancadas —seleccione un PREN apropiado para la concentración de cloruros y la temperatura. La corrosión por resquicio requiere una holgura estrecha confinada con electrolito estancado —elimine el resquicio mediante el diseño. La erosión-corrosión requiere velocidad o turbulencia excesiva en un cambio de geometría —manténgase por debajo de la velocidad crítica y use la geometría apropiada. Ninguno de estos mecanismos es impredecible. Todos son, en la mayoría de los casos, evitables mediante decisiones de diseño tomadas antes de que comience la fabricación en lugar de después de la investigación del fallo que se permitió que ocurriera.