Wenzhou Kaixin Kaixin Metal Co., Ltd.
Con el rápido desarrollo de la industria, la demanda de energía va en aumento, y las centrales eléctricas tradicionales de carbón causan una grave contaminación ambiental. Dado que la comunidad internacional presta cada vez más atención a las emisiones de gases de efecto invernadero y al calentamiento global, China ha incluido el desarrollo de la energía nuclear como una de las medidas importantes para resolver los problemas ambientales. El accidente nuclear de Chernóbil en 1986 y el de Fukushima en Japón en 2011 provocaron una explosión que dio lugar a una fuga a gran escala de materiales nucleares radiactivos, por lo que la seguridad nuclear mundial ha cobrado cada vez más importancia. En la actualidad, los tipos de centrales nucleares en funcionamiento en el mundo se dividen en reactores de agua ligera y reactores de agua pesada. Los reactores de agua ligera incluyen los reactores de agua a presión (PWR) y los reactores de agua en ebullición (BWR). La corrosión de los materiales estructurales, especialmente la corrosión por tensión (SCC), es un problema importante que afecta a la seguridad de los equipos y las tuberías en las centrales nucleares. Con el fin de mejorar la resistencia a la corrosión de los equipos de energía nuclear, la mayoría de los materiales estructurales utilizados en los reactores nucleares refrigerados por agua son aleaciones a base de níquel y aceros inoxidables austeníticos con buena resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas. La resistencia superior a la corrosión se debe principalmente a la formación de una película de óxido rica en cromo (película de pasivación) en la superficie del material en el medio corrosivo.
El entorno de servicio de materiales metálicos nucleares Por lo general, se trata de un entorno de agua a alta temperatura y alta presión, acompañado de un cierto grado de radiación. Las duras condiciones de funcionamiento y la exposición prolongada hacen que los materiales estructurales de las centrales nucleares se encuentren en un estado de corrosión. La corrosión bajo tensión (SCC) en agua a alta temperatura y alta presión se refiere al proceso de inicio, propagación y formación de grietas causado por defectos locales bajo la acción conjunta de materiales estructurales sensibles, medios corrosivos y tensiones. Una vez que se inicia la SCC, se expande rápidamente en los equipos y materiales, lo que conduce a la falla de los componentes, fugas de refrigerante e incluso al cierre de la unidad, lo que amenaza directamente el funcionamiento seguro de las centrales nucleares. Por lo tanto, la corrosión bajo tensión del acero inoxidable en el entorno de agua a alta temperatura y alta presión de las centrales nucleares se ha convertido en el centro de atención tanto a nivel nacional como internacional, especialmente en la última década, con la mejora de la aplicación y la demanda de energía limpia y el aumento de la severidad de los requisitos para la operación segura de las centrales nucleares; la investigación internacional sobre la corrosión bajo tensión de los materiales de acero inoxidable en las centrales nucleares se encuentra en un período de rápido crecimiento.
La industria nuclear china comenzó relativamente tarde. En la actualidad, la mayoría de las centrales nucleares en funcionamiento y en construcción cuentan con reactores importados y utilizan reactores de agua a presión. La tecnología pertinente aún no está madura, la investigación básica sobre la química del agua es escasa y deficiente, y la experiencia práctica es limitada. Los materiales estructurales utilizados en las centrales nucleares son principalmente acero inoxidable 304 y 316, aleaciones a base de níquel 600 y 690, aleación de soldadura a base de níquel 52/152 y acero al carbono. La investigación sobre la prevención de la corrosión y la protección contra la radiación de los materiales estructurales de las centrales nucleares en China ha explorado y aplicado la tecnología de química del agua adecuada para las centrales nucleares nacionales, al tiempo que se ha aprovechado la experiencia práctica de otros países y se ha combinado con la situación real de China.
SCC del acero inoxidable para aplicaciones nucleares
Debido a su buena plasticidad, resistencia a la corrosión y facilidad de procesamiento, el acero inoxidable se utiliza ampliamente en los equipos principales, las tuberías y las uniones soldadas de la isla nuclear de un reactor de agua a presión (PWR). Se emplea principalmente en la capa superficial de la vasija de presión del reactor, los pernos de sujeción de los componentes internos, el mecanismo de accionamiento de las varillas de empuje, las tuberías del sistema principal de refrigeración del reactor y otras piezas. En la década de 1970, se encontraron algunos casos de corrosión bajo tensión en materiales de acero inoxidable en la zona de alto endurecimiento por deformación del sistema principal del reactor de agua a presión. Las grietas causadas por la tensión mecánica pura son diferentes de la corrosión bajo tensión (SCC) en un medio a temperatura ambiente. Cuando el acero inoxidable se utiliza en el entorno de agua a alta temperatura y alta presión de una central nuclear, se agrieta incluso en condiciones de tensión extremadamente baja. El número de grietas es pequeño, la profundidad es grande, el ancho es estrecho y la dirección es básicamente perpendicular a la dirección de la tensión. La SCC puede ser transgranular (TGSCC) o intergranular (IGSCC). Por lo tanto, es de gran importancia analizar la influencia de los diferentes procesos de procesamiento de materiales y los parámetros del entorno químico del agua en el comportamiento de corrosión bajo tensión de los materiales de acero inoxidable en el agua a alta temperatura y alta presión de las centrales nucleares, así como la interacción y sinergia entre los materiales, el entorno y la tensión-deformación.
Método de ensayo de corrosión bajo tensión
2.1 Métodos habituales de ensayo de sensibilidad al SCC
La corrosión bajo tensión (SCC) en los materiales estructurales de las centrales nucleares puede provocar problemas como paradas y trabajos de mantenimiento. Si no se detecta o se gestiona adecuadamente, afectará directamente al funcionamiento seguro y estable de las centrales nucleares. Investigadores nacionales y extranjeros han estudiado el comportamiento de la corrosión bajo tensión, la iniciación de grietas y la velocidad de propagación de las mismas (CGR) en materiales de acero inoxidable en distintos entornos y mediante diversos métodos de ensayo.
De acuerdo con las normas GB/T15970-2018 y ASTM E399, las probetas para ensayos de corrosión bajo tensión incluyen probetas lisas, probetas con muesca y probetas con fisuras previas, y los métodos de carga abarcan el desplazamiento constante, la carga constante y la velocidad de deformación lenta. El método de desplazamiento constante aplica un desplazamiento total constante al material metálico a través del accesorio o perno antes del experimento, incluyendo a menudo probetas de flexión, probetas en forma de U, probetas en forma de C, etc. Este método es sencillo en cuanto al modo de carga, económico en la fijación del accesorio y adecuado para el cambio de tamaño de la probeta en un amplio rango, pero la tensión correspondiente no se puede cuantificar con precisión, y el análisis del estado de tensión correspondiente no es claro. El ensayo de velocidad de deformación lenta puede simplificar la aplicación y el cálculo de la tensión, y hacer que la probeta se fracture por completo para determinar algunos parámetros con los que evaluar la sensibilidad a la corrosión bajo tensión (SCC) del material. Sin embargo, el equipo es relativamente complejo y hay muchos factores que afectan a la determinación del valor de la velocidad de deformación. En comparación con la probeta de flexión, requiere un marco de sujeción y un método de carga más robustos. Los métodos analíticos y de ensayo modernos, como la tecnología de ruido electroquímico, pueden proporcionar un monitoreo in situ, continuo y no destructivo del inicio y desarrollo de la corrosión local. El comportamiento frente a la corrosión bajo tensión de los materiales metálicos está estrechamente relacionado con la estructura del material, el nivel de tensión y el medio corrosivo. Al evaluar la sensibilidad a la corrosión bajo tensión, se deben seleccionar métodos de ensayo de corrosión bajo tensión y tipos de muestras adecuados. Diferentes métodos de ensayo pueden dar lugar a diferentes resultados.
2.2 Método de ensayo para determinar la velocidad de inicio y propagación de grietas por segregación cementicia
El método de ensayo de corrosión bajo tensión de los metales descrito en las normas mencionadas es aplicable, en general, al ensayo de la sensibilidad a la corrosión bajo tensión (SCC) en condiciones convencionales, y también sirve de apoyo y referencia para los ensayos en entornos especiales de la energía nuclear, como el ensayo SSRT, el ensayo de flexión en U, el ensayo del anillo en C, etc.; la probeta de tracción compacta (CT) puede combinarse con el método de caída de potencial de corriente continua (DCPD) para medir in situ la longitud de crecimiento de la grieta y determinar así la velocidad de crecimiento de la misma.
En los últimos años, teniendo en cuenta las condiciones ambientales especialmente adversas de las centrales nucleares, caracterizadas por altas temperaturas y altas presiones, China ha diseñado métodos de ensayo especiales y ha elaborado normas de grupo pertinentes, como la norma T/CSTM 00080-2019 sobre ensayos de inicio de fisuras y la norma T/CNS 5-2018 sobre ensayos de velocidad de propagación de fisuras, entre otras. La norma de grupo se establece en combinación con las normas existentes a nivel nacional e internacional, así como con los métodos de ensayo nacionales, los documentos técnicos y la experiencia práctica, lo que brinda apoyo para la realización fluida, segura y eficaz de la carga de muestras, el monitoreo en línea de los parámetros químicos del agua, el control en tiempo real y el ensayo de corrosión bajo tensión en entornos de agua a alta temperatura y alta presión.
2.3 Método de ensayo electroquímico
Además de evaluar directamente el comportamiento de la corrosión por corrosión galvánica (SCC) de los materiales metálicos, la electroquímica de la corrosión es también un método importante para evaluar la resistencia a la corrosión de los metales, medir la velocidad de corrosión y estudiar los mecanismos de corrosión. China también ha elaborado normas pertinentes, como la GB/T 24196-2009, la T/CNS 6-2018 y la T/CNS 3-2018.
Factores que influyen en la SCC en agua a alta temperatura y alta presión
El comportamiento frente a la corrosión bajo tensión del acero inoxidable en entornos de agua a alta temperatura y alta presión de las centrales nucleares está sujeto a la influencia conjunta de diversos factores, entre los que destacan principalmente los factores relacionados con el material (tratamiento superficial, procesamiento en frío, proceso de tratamiento térmico, etc.), los factores mecánicos (límite elástico, tensión residual, factor de intensidad de tensión, carga, etc.) y el entorno hidroquímico (temperatura, pH, aniones, oxígeno disuelto, etc.).
3.1 Factores relevantes
3.1.1 Tratamiento de superficies
Los defectos superficiales del material y los rayones causados por el procesamiento son inevitables durante el funcionamiento. Mediante ensayos de velocidad de deformación lenta (SSRT), Scenini et al. señalaron que el tratamiento superficial en refrigerante a alta temperatura desempeña un papel importante en el inicio de grietas por corrosión bajo tensión (SCC). En comparación con el procesamiento mecánico, la superficie de la muestra de acero inoxidable 304L pulida mediante suspensión de óxido (OPS) δ El área cercana a la interfaz ferrita/austenita es más susceptible a la SCC, lo que la hace más sensible a la corrosión por tensión. En el entorno de agua simulado del circuito primario de un reactor PWR, las grietas transgranulares suelen formarse en la superficie de las muestras mecanizadas, lo que guarda una gran relación con las marcas de mecanizado. Sin embargo, solo hay unas pocas grietas transgranulares en la superficie del material bien pulido, y la morfología de las grietas es principalmente intergranular.
Como proceso de endurecimiento superficial ampliamente utilizado, el granallado emplea partículas de granalla para bombardear la superficie del material e implantar tensiones residuales de compresión, lo que puede contrarrestar parte de la tensión de tracción en la superficie del tubo de transferencia de calor, mejorar la resistencia a la fatiga de la pieza de trabajo y reducir significativamente la sensibilidad a la corrosión bajo tensión del acero inoxidable. El granallado puede afectar el estado macroscópico, la microestructura, la dureza, la tensión residual y la transformación martensítica de la superficie del material, y por lo tanto, la sensibilidad a la corrosión bajo tensión del material. La tecnología de granallado por láser no presenta medios de rebote ni fuerzas de reacción durante su funcionamiento, y no deja residuos que afecten al funcionamiento normal de los equipos. Puede formar una capa de tensión compresiva más profunda que el granallado convencional y no daña la superficie de los componentes. Tiene un efecto de endurecimiento evidente y es fácil de manejar. Se considera una tecnología que puede aplicarse en el campo de la energía nuclear y tiene amplias perspectivas de aplicación.
3.1.2 Conformado en frío
El trabajo en frío durante el procesamiento, la instalación y la fabricación de equipos de energía nuclear modifica la microestructura interna del material. Por ejemplo, los procesos de doblado, soldadura, esmerilado, estampado y otros a los que se somete el acero inoxidable austenítico provocan una deformación plástica del material; las dislocaciones y los defectos puntuales causan deslizamiento de la red cristalina, orientación de los límites de grano, densidad de dislocaciones y otros cambios. El cambio en las propiedades mecánicas locales y la concentración de tensiones del material aumentará la sensibilidad del acero inoxidable a la corrosión por tensión.
La investigación muestra que, en el entorno simulado del agua primaria de un reactor PWR, la tasa de crecimiento de la corrosión por tensión (CGR) aumenta significativamente al incrementarse el grado de trabajo en frío del acero inoxidable, mientras que la resistencia a la corrosión por tensión inducida por grietas (IGSCC) del acero inoxidable disminuye. Arioka et al. estudiaron el comportamiento de crecimiento de la corrosión por tensión del acero inoxidable 316 sometido a trabajo en frío en una solución de litio y boro a alta temperatura mediante ensayos de tracción. Por lo general, la punta de la grieta es una zona de alta tensión. Los defectos de vacantes generados durante el procesamiento en frío se desplazarán hacia el límite de grano bajo el efecto del gradiente de tensión, y se moverán a lo largo del límite de grano hacia la zona de alta tensión, formando una alta densidad de vacantes en áreas locales y creando huecos en la parte frontal y alrededor de la grieta. La aparición de huecos y la alta densidad de vacantes reducen significativamente las propiedades mecánicas en el límite de grano, debilitan la energía de unión en el límite de grano, proporcionan un punto débil para el crecimiento de la grieta y aceleran en gran medida dicho crecimiento. Además, Terachi et al. señalaron que las vacantes y las dislocaciones generadas durante el trabajo en frío de muestras de acero inoxidable 304 y 316 también pueden aumentar significativamente el límite elástico del material, y la velocidad de crecimiento de la grieta aumentará en consecuencia. Se cree generalmente que el límite elástico de los materiales σ entre y y CGR
3.1.3 Tratamiento térmico
Los materiales de acero inoxidable suelen someterse a procesos de tratamiento térmico, como la solución sólida, la sensibilización y el envejecimiento, durante su proceso de producción. Las altas temperaturas tienen un gran impacto en la evolución de la microestructura y en la resistencia a la corrosión de los materiales. El acero inoxidable tiene un contenido de cromo superior al 13,1 % en condiciones de recocido, lo que le confiere una buena resistencia a la corrosión general y a la corrosión localizada. Sin embargo, el acero inoxidable expuesto a un entorno de alta temperatura precipita y forma carburos ricos en cromo (Cr23C6) en los límites de grano. El fenómeno de empobrecimiento de cromo en los límites de grano es una de las principales razones de la reducción de la resistencia a la corrosión intergranular y a la corrosión bajo tensión del acero inoxidable austenítico. Un tratamiento de envejecimiento adecuado puede mitigar el problema del empobrecimiento de cromo.
En el tratamiento de solubilización a una temperatura determinada (por ejemplo, 1100 ℃), a medida que se prolonga el tiempo de solubilización, el efecto de solubilización de los átomos de soluto y de impureza en el acero inoxidable 316L se vuelve gradualmente suficiente, la microdureza aumenta y el tamaño del grano se incrementa. En la etapa inicial de la grieta por corrosión intergranular, el efecto de los diferentes tratamientos de solución sobre la velocidad de corrosión de la muestra no es evidente; en el período de crecimiento de la grieta, las muestras con un tiempo de solución sólida más prolongado mostraron una resistencia a la corrosión intergranular significativamente mejor. Los resultados experimentales muestran que el acero inoxidable con un tratamiento de solución de 0,5 a 1 h a 1100 ℃ tiene mejores propiedades generales. En comparación con el tratamiento de solución, la velocidad de corrosión y la velocidad de crecimiento de la grieta del acero inoxidable sensibilizado aumentaron significativamente. Obviamente, el tratamiento de sensibilización no favorece la mejora de la resistencia a la SCC del acero inoxidable 316L. El proceso de sensibilización tiende a causar deficiencia de cromo en los límites de grano del acero inoxidable 304. La sensibilidad a la SCC aumenta y es más probable que se produzca IGSCC.
Comportamiento frente a la fisuración del acero inoxidable
El acero inoxidable es muy apreciado por su durabilidad y resistencia a la corrosión. Sin embargo, no es inmune a la formación de grietas en determinadas condiciones. Comprender el comportamiento del acero inoxidable frente a la formación de grietas es fundamental para su uso eficaz.
La formación de grietas puede provocar problemas graves en diversas aplicaciones. La corrosión bajo tensión es un problema habitual, que a menudo se ve agravado por factores ambientales. Los ingenieros y los científicos de materiales deben ser conscientes de estos retos.
Comprensión de las propiedades y los problemas del acero inoxidable
El acero inoxidable es apreciado por sus propiedades distintivas, como su solidez y su resistencia a la oxidación. Estas características lo convierten en una opción muy utilizada en la construcción y la industria manufacturera. Sin embargo, es fundamental tener en cuenta los problemas que pueden surgir.
Hay varios factores que pueden influir en el rendimiento y la fiabilidad del acero inoxidable. Comprender estos elementos ayuda a diseñar productos más seguros y duraderos. Problemas como las grietas pueden mermar su resistencia si no se abordan.
Entre las principales características y cuestiones se incluyen:
- Resistencia a la corrosión
- Alta resistencia a la tracción
- Susceptibilidad a la corrosión por tensión
- Influencia de las condiciones ambientales
- Impacto de los procesos de fabricación
Tipos comunes de fisuras en el acero inoxidable
El acero inoxidable puede sufrir diversos tipos de fisuras, cada una con características propias. Comprender estos tipos es fundamental para seleccionar y utilizar el material de forma adecuada.
La corrosión por tensión (SCC) afecta con frecuencia al acero inoxidable en entornos hostiles. Esto ocurre cuando la tensión de tracción se combina con una atmósfera corrosiva, como la exposición al cloruro. Los aceros inoxidables austeníticos son especialmente susceptibles.
La fragilización por hidrógeno supone otro riesgo, ya que los átomos de hidrógeno penetran en el acero, haciéndolo frágil y propenso a agrietarse. Este tipo de agrietamiento suele producirse en entornos de alta presión.
Entre los tipos más comunes de fisuración del acero inoxidable se incluyen:
- Crasis por corrosión bajo tensión (SCC)
- Fragilización por hidrógeno
- Grietas por fatiga debidas a cargas cíclicas
- Corrosión intergranular que provoca la degradación estructural
Causas y factores que contribuyen a la formación de grietas en el acero inoxidable
Hay varios factores que influyen en el comportamiento de agrietamiento del acero inoxidable. Comprenderlos puede ayudar a tomar medidas preventivas.
Un factor clave es la tensión residual derivada de la soldadura, que puede provocar una tensión de tracción no deseada. Si no se trata, esta tensión aumenta el riesgo de que se produzcan grietas bajo la influencia de factores ambientales.
Las altas temperaturas pueden agravar las vulnerabilidades existentes, especialmente en entornos con alta concentración de cloruros.
Entre los factores que contribuyen a ello se encuentran:
- Tensión residual debida a la soldadura
- Presencia de cloruros
- Temperaturas elevadas
- Microestructura metalúrgica
Estrategias de prevención y mitigación
Para evitar el agrietamiento del acero inoxidable es necesario seleccionar los materiales de forma estratégica y optimizar los procesos. Elegir el tipo de acero adecuado para cada condición específica es fundamental para minimizar los riesgos.
Las consideraciones de diseño también desempeñan un papel fundamental en la prevención de concentraciones de tensiones. Un diseño adecuado permite distribuir las tensiones de manera más uniforme, lo que reduce los posibles puntos de fisuración.
Entre las estrategias eficaces se incluyen:
- Selección de los tipos adecuados de acero inoxidable
- Optimización del diseño para reducir la concentración de tensiones
- Realizar inspecciones y tareas de mantenimiento periódicas
Conclusión: Puntos clave para las aplicaciones del acero inoxidable
Comprender el comportamiento de agrietamiento del acero inoxidable es fundamental para mantener la integridad estructural. Para ello, es necesario tener en cuenta tanto las propiedades del material como las condiciones ambientales.
La aplicación de estrategias bien fundamentadas puede reducir considerablemente el riesgo de agrietamiento. Esto garantiza la durabilidad y la seguridad de las aplicaciones de acero inoxidable.