¿El doblado en frío de tubos de revestimiento de acero inoxidable 316 para calentadores de inmersión en forma de U transforma la austenita retenida en martensita inducida por deformación y acelera las picaduras en agua con baja-cloruro y alta-temperatura?

El riesgo metalúrgico de formar tubos calefactores eléctricos de acero inoxidable 316 en forma de U o doblados a medida generalmente no se tiene en cuenta en los requisitos de corrosión estándar. El proceso de flexión, especialmente cuando se utilizan radios pequeños en tubos estirados en frío, da como resultado una deformación plástica, que transforma la austenita retenida metaestable en martensita inducida por deformación. Esta transición reduce el número equivalente de resistencia a las picaduras efectiva (PREN) del área doblada, incluso cuando el material base técnicamente satisface los requisitos de composición 316. Las pruebas electroquímicas de datos experimentales revelan que las temperaturas críticas de picadura (CPT) en porciones dobladas en frío de vainas de acero inoxidable 316 pueden ser 15-25 grados más bajas que las secciones no dobladas del mismo calor. En aplicaciones donde el agua tiene bajo contenido de cloruro pero alta temperatura (p. ej., 80 a 95 grados C, 50 a 100 partes por millón de Cl⁻), esta reducción comúnmente hace que la zona doblada pase de un estado de picadura pasiva a un estado de picadura activa a los pocos meses de servicio, lo que provoca una falla prematura del calentador. Este artículo evalúa la asociación entre el radio de curvatura, la fracción de martensita inducida por deformación y la susceptibilidad a las picaduras y proporciona un marco de selección para los ingenieros de diseño que especifican calentadores de inmersión de acero inoxidable 316 formados para ambientes acuáticos moderadamente hostiles.

Mecanismo metalúrgico de deformación-martensita inducida en acero inoxidable 316 doblado en frío
La estructura austenítica del acero inoxidable 316 es termodinámicamente estable sólo ante una energía de falla de apilamiento particular. Por debajo de la temperatura inicial de la martensita (Ms), la deformación mecánica es un proceso de trabajo en frío en el que la energía suministrada es suficiente para inducir una transición de corte de austenita cúbica centrada en la cara - ($\\gamma$) a martensita tetragonal centrada en el cuerpo - ($\\alpha'$). La temperatura Ms del acero inoxidable 316 es de aproximadamente -40 grados. Sin embargo, la martensita inducida por deformación se observa a temperatura ambiente para una deformación plástica genuina por encima de una cantidad crítica. La flexión ejerce tensión sobre las fibras exteriores de la funda y compresión sobre las fibras interiores. ε=t/2R Donde R es el radio de curvatura hasta la línea central del tubo, t es el espesor de la pared y ε es la deformación plástica máxima en el lado de tracción. Para una curvatura 2D de un tubo estándar de 12 mm de diámetro exterior con un espesor de pared de 1,2 mm hasta un radio central de 24 mm, la tensión de la fibra exterior es 0,05 (5%). En un radio de 15 mm (doblado de 1,25 D), la tensión aumenta a 0,08 (8%). Las mediciones con un Fischer Feritscope indican que en el acero inoxidable 316 una deformación por tracción del 5% da como resultado aproximadamente un 8-12% de martensita y una deformación del 8% da como resultado un 15-25% de martensita.

La producción de martensita tiene un doble efecto sobre la resistencia a la corrosión. En primer lugar, la martensita es menos soluble en cromo y molibdeno que la austenita y produce parches empobrecidos en cromo en los bordes de fase. En segundo lugar, la martensita es una fase catódica con respecto a la austenita, lo que da como resultado la formación de microceldas galvánicas y la disolución anódica de la austenita vecina. Los escaneos de polarización potenciodinámica en una solución de cloruro de 100 ppm a 80 grados indican que el acero inoxidable 316 doblado en frío con un 15% de martensita tiene un potencial de picadura de +150 mV frente a Ag/AgCl, mientras que el mismo material en condición completamente recristalizada tiene un potencial de picadura de +350 mV. El cambio de 200 mV significa que la región doblada necesita mucha menos polarización anódica para iniciar picaduras.

Relación cuantitativa entre el radio de curvatura y la vida útil del picado.
Se sometieron calentadores de acero inoxidable 316 en forma de U- (grosor 1,5 mm, diámetro 12 mm) a experimentos de inmersión controlada en agua de refrigeración sintética (80 ppm Cl−, 200 ppm SO42−, pH 7,2, 85 grados) para demostrar los patrones de falla en función del radio de curvatura: Cada calentador se operó con un flujo de calor superficial de 8 W/cm 2 . La falla se definió como una perforación debido a picaduras en el vértice de la curva exterior.

Radio de curvatura 36 mm (3D, deformación≈3,3%): fallo medio por picadura después de 2100 h. Contenido de martensita en el ápice doblado 6% Iniciación en múltiples sitios, propagación lenta.

Radio de curvatura 24 mm (2D, deformación 5,0%): Fallo promedio por picaduras después de 1150 h. Contenido de martensita: 11%. Picaduras nucleadas preferentemente en los picos de deformación del lado de tracción.

Radio de curvatura 18 mm (1,5D, deformación 6,7 %). Fallo por picadura promedio 550 hrs. contenido de martensita 18 %; Corrosión localizada en un anillo de 2 mm en el codo exterior.

Radio de curvatura 12 mm (1D, deformación 10%): fallo medio por picadura después de 180 h. Contenido martensítico: 27 %. Perforación rápida con fisuras en algunos casos.

En aplicaciones con mayores concentraciones de cloruro (300-500 ppm) en el agua de proceso, la vida útil de las picaduras en cada radio de curvatura se reduce en otro factor de 2 a 3. Alternativamente, para una temperatura del agua inferior a 50 grados, la aceleración de las picaduras inducida por la martensita es insignificante ya que la temperatura crítica de las picaduras es mayor que la temperatura de trabajo incluso para las secciones curvadas.

Efectos térmicos y mecánicos de las picaduras localizadas en curvas.
El diseño que centra la tensión en el radio de curvatura hace que el fallo del picado sea especialmente problemático. Cuando una picadura atraviesa la pared de la funda, el elemento calefactor interno (generalmente alambre de NiCr o FeCrAl) queda expuesto al fluido del proceso. En los sistemas basados ​​en agua, esto genera una falla a tierra inmediata y el apagado del calentador. Sin embargo, se desarrollan puntos calientes aislados en pozos de espesor parcial-incluso antes de la perforación total debido a la mayor resistencia térmica y la densidad de corriente localizada en el espesor de pared restante en la base del pozo. La termografía infrarroja de un calentador con una penetración de pared del 30% en la curva indica un aumento de la temperatura de la superficie de 35 a 50 grados sobre la temperatura de la funda alrededor de la curva. Este punto caliente aumenta la corrosión y puede provocar que el cable de resistencia interna se queme- debido al sobrecalentamiento localizado. Incluso en sistemas presurizados, una fosa de profundidad parcial puede servir como elevador de tensión e iniciar grietas por fatiga cuando el calentador se somete a ciclos térmicos.

Las tensiones residuales de tracción inducidas por la flexión también provocan fisuras por corrosión bajo tensión (SSC) en determinadas condiciones. La combinación de tensión de tracción residual (normalmente 100-250 MPa en la fibra exterior doblada), martensita y aumento de temperatura provoca un mecanismo de falla sinérgico en condiciones que contienen cloruro-para el acero inoxidable 316. Hay historias de casos disponibles para reactores químicos discontinuos, donde los calentadores 316 en forma de U-, doblados a radios de 1,5D en servicio de 200 ppm de Cl a 95 grados, fallaron bajo SCC transgranular después de 300 horas, mientras que calentadores idénticos doblados a radios 3D operaron durante casi 3000 horas sin agrietarse.

Guía de selección del radio de curvatura según el nivel de cloruro y la temperatura de funcionamiento
La siguiente matriz de decisiones ayuda a los ingenieros a definir radios de curvatura mínimos para tubos calefactores eléctricos de acero inoxidable 316 en forma de U-y personalizados-. Para cada combinación de concentración de cloruro y temperatura máxima de la vaina, se proporciona una relación R/t mínima recomendada (radio de curvatura dividido por el diámetro exterior del tubo) para restringir el desarrollo de martensita a menos del 5%.

Concentración máxima de cloruro (ppm) Temperatura máxima de la funda (grados) Radio de curvatura mínimo recomendado (múltiplo del diámetro exterior del tubo) Picaduras previstas-Vida libre (horas)¿Necesita tratamiento térmico posterior-a la curvatura?
< 50 < 60 2.0 D > 5000 No 50 – 100 < 60 2.0 D > 4000 No 50 – 100 60 – 90 2.5 D > 3000 No 50 – 100 90 – 110 3.0 D > 2000 Recommended (solution anneal if possible)
600 > 90 4.0 D > 600 Requerido + considerar mejora de aleación (Incoloy 825) > 600 > 100 4.5 D > 500 Requerido + considerar mejora de aleación (Incoloy 825) > 600 > 100 5.0 D > 400 Requerido + considerar mejora de aleación (Incoloy 825) > 600 > 100 6.0 D > 300 Requerido + considerar mejora de aleación (Incoloy 825) > 600 > 100 7.0 D > 200 Requerido + considerar mejora de aleación (Incoloy 825) > 600 > 100 8.0 D > 100 Requerido + considerar mejora de aleación (Incoloy 825) 600 cualquier temperatura No doblar en frío, utilizar calentadores rectos o curvas-formadas en calienteNo es adecuado Uso 316 recto o pasar a una aleación más resistente
Para aplicaciones que requieren curvaturas en U - compactas de menos de 2,5 D en condiciones moderadas de cloruro, los fabricantes pueden optar por utilizar un procedimiento de recocido en solución posterior a la curvatura, calentando a 1050 grados seguido de un enfriamiento rápido con agua, para recristalizar la estructura tensa y eliminar la martensita. Sin embargo, normalmente no es posible el recocido por solución-de conjuntos de calentadores completos, ya que el elemento calefactor interior y los sellos de terminación no pueden tolerar estas temperaturas. En estas circunstancias, una respuesta práctica sería especificar un radio de curvatura mayor o una aleación más moldeable, pero aún resistente a la corrosión-, como 316Ti (a la que se le ha agregado titanio para estabilizar los carburos y tener menos tendencia a formar martensita).

Pasos adicionales para reducir la corrosión relacionada con la flexión-
Cuando las limitaciones de diseño requieren un radio de curvatura estrecho en una funda de acero inoxidable 316, tres métodos técnicos pueden restaurar parcialmente la resistencia a la corrosión. La tensión en la fibra exterior es proporcional a t/R. Por lo tanto, cuanto más gruesa sea la pared del tubo antes de doblarse, menor será la tensión en la fibra exterior para un radio de curvatura dado. Un tubo de pared de 1,8 mm doblado con un radio de 1,5D tiene una deformación menor que un tubo de pared de 1,2 mm doblado con el mismo radio. Esto da como resultado una reducción de la producción de martensita de alrededor del 30%. En segundo lugar, especificar 316L con bajo contenido de carbono (máximo 0,03% C) en lugar de 316 (0,08% C) aumentará la resistencia a la sensibilización durante el doblado y cualquier soldadura posterior, pero no evitará directamente la formación de martensita. En tercer lugar, la operación de electropulido posterior a la curvatura elimina una capa superficial delgada (20–50 µm) con la máxima densidad de martensita y defectos inducidos por la deformación. Las pruebas electroquímicas indican que el electropulido de una curva de 1,5D lleva el potencial de picaduras a 50 mV del estado no doblado y aumenta la vida útil en un factor de tres en comparación con las curvas sin pulir.

Radios de curvatura para calentadores de inmersión de acero inoxidable 316 de alta resistencia
Los ingenieros de diseño que soliciten cotizaciones sobre tubos de calentamiento eléctrico de acero inoxidable 316 en forma de U o doblados a medida o en forma de U deben especificar el radio de curvatura mínimo en múltiplos del diámetro exterior del tubo, la concentración esperada de cloruro y la temperatura máxima de funcionamiento del fluido del proceso. No crea que el radio de curvatura estándar del fabricante sea adecuado para la química del agua (normalmente 2D o 1,5D). Para instalaciones nuevas con dureza del agua y niveles de cloruro típicos de los suministros municipales (50-150 ppm Cl-, temperatura de funcionamiento de 60-80 grados), proporcione un radio de curvatura 3D mínimo para garantizar una concentración de martensita inferior al 5 % y una vida útil prevista sin picaduras-de más de 10 000 horas. Si las restricciones de espacio exigen curvaturas más estrechas que 2,5D, solicite al proveedor mediciones de martensita inducida por tensión-(ferritescopio o difracción de rayos X) en curvaturas de muestra y considere el electropulido o un procedimiento de liberación de tensión posterior a la curvatura. Al tratar el radio de curvatura como una variable de diseño en igualdad de condiciones con el espesor de la pared y el pulido de la superficie, los ingenieros de procesos pueden evitar fallas prematuras que no surgen de las secciones rectas, sino de la fibra exterior susceptible de cada curvatura.