Corrosión por Daño por Hidrógeno

Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Departamento de Ingeniería en Metalurgia y Materiales

C orros ión por daño daño por por hidrog eno. eno.

Integrantes:

G arcía rcí a G arcía rcí a R odrig o Aleja Alejandro ndro G onzále onzálezz Torres Fernando Hernández Hernández Nateras Nateras Á ng el G abriel Grupo: 2MM51  Asignatura:  Asignatura: Corrosión Corrosión Profesora: Dra. Elsa Miriam Arce Estrada Equipo: 5 Fecha de Exposición: Lunes 27 de Noviembre de 2017 Fecha de Entrega: Lunes 4 de Diciembre de 2017 Ciclo Escolar 2017-2018 “A” 

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Índice: 

Daño por Hidrogeno

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Efectos del Hidrogeno

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Origen del hidrogeno en la tubería

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Principales medios donde se presenta el daño por hidrogeno 5

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Tipos de daños

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 Ataque por Hidrogeno

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 Agrietamiento por Hidrogeno

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Fragilización asistida por hidrogeno

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Reacciones efectuadas en el medio

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Caso del Cobre

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Consecuencias por el daño por hidrogeno

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Evitar el daño por hidrogeno

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Daño por Hidrog eno: El origen del hidrógeno en la estructura de un componente puede provenir de los procesos de fabricación de la materia prima, así como de su procesado posterior, o puede haber sido incorporado al material durante su vida en servicio. La mayoría de los procesos corrosivos a baja temperatura están causados por la llamada corrosión acuosa o húmeda, siendo en estas condiciones de mucha menor importancia la oxidación directa. La corrosión húmeda es debida a una acción de origen electroquímico, que, a diferencia de la oxidación directa, no es homogénea en toda la superficie del metal.

Las dos vías de introducción de hidrógeno en el metal estudiadas en este momento son: 

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El contacto del material metálico con un electrolito susceptible de aportar hidrógeno. La protección catódica.

Muestras ataques corrosivos daño hidrogeno.

El daño por hidrogeno se define como un proceso en el que se desarrollan fenómenos de interacción química y difusión, que combinados con la composición y el tratamiento del material sobre el que suceden, producen cambios críticos en las propiedades; esto se traduce en grandes fracturas provocadas a tensiones menor es a las que soportaría el material en condiciones normales. 3

de por por

Esto generalmente ocurre en aceros, pero también se dan casos en metales y aleaciones, restringiendo severamente su rango de uso.

Efectos del Hidrogeno:

Degrada metales y aleaciones, y puede provocar el colapso de una estructura para niveles de carga que son muy bajos cuando se los compara con los que pueden ser soportados por materiales libres de hidrógeno.

Imagen de una tubería atacada por el hidrogeno debido a la presencia de este en el agua que transportaba diariamente.

Origen del hidrogeno en la tubería:

El origen del hidrógeno en la estructura de un componente puede provenir de procesos de fabricación, procesado posterior o durante su vida en servicio. La interacción entre el hidrógeno y los metales produce una adsorción en el sólido, dando lugar a la formación de:  

Hidrógeno molecular Productos gaseosos obtenidos por reacción entre los metales de la aleación y el hidrógeno. 4

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Soluciones sólidas de hidrógeno en el metal

 Aspecto de la fractura intergranular en un tubo de caldera, elaborada a partir de acero al carbono que sufrió una falla corrosiva debido al efecto de fragilización por hidrogeno.

Dependerá de lo que se haya formado para que la forma en la que el daño se manifestará ocurra, pero a fin de cuentas será perjudicial para el comportamiento mecánico del metal, sea cual sea el caso de ataque o daño por hidrogeno.

Representación gráfica de cómo se efectúa un ataque de hidrogeno a una estructura de hierro.

Principales medios donde se presenta el daño por hidrogeno:

Se han producido problemas en contenedores empleados en la industria gaseosa, reactores nucleares, productos tubulares, y compresores de la industria química y petrolera entre otras.

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La interacción entre el hidrógeno y los metales puede dar lugar a la formación de soluciones sólidas de hidrógeno en el metal, hidrógeno molecular, o productos gaseosos que se forman por la reacción entre el hidrógeno y los metales que forman la aleación. Inclusive después de años y años de investigación sobre el hidrogeno y sus consecuencias en metales no se ha podido frenar el ataque corrosivo en tanques industriales.

Tipos de daños:

En el caso de los aceros, la interacción del H con este material puede producir tres tipos de daños: •

Ataque por hidrógeno

•

Fisuración (agrietamiento) inducida por hidrógeno

•

Fragilización asistida por hidrógeno Imagen comparativa de los diversos tipos de corrosión posibles en el acero, se muestra la corrosión por hidrogeno en la parte derecha de la imagen.

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Ataque por Hidrogeno:

Se encontró que el acero expuesto a altas temperaturas (200°C) y altas presiones parciales de hidrógeno (cerca de 700 kPa) sufría importantes deterioros en sus propiedades mecánicas. Este tipo de daño conocido por APH es uno de los más importantes problemas en la industria de la síntesis de amoniaco, las refinerías de petróleo y las plantas petroquímicas. También puede aparecer en los tubos de calderas convencionales.

Caracteristicas ampollas provocadas por el ataque de hidrogeno a la superficie de un metal. Los aceros en presencia de H a presiones elevadas (700 kPa) y temperaturas elevadas (»200°C) sufren una descarburación importante con la formación, in situ, de metano que no puede difundir debido al tamaño de sus moléculas, provocando fisuración intergranular. El daño que se provoca es irreversible.

Fisuras intergranulares y descarburación.

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Agrietamiento por Hidrogeno:

El agrietamiento inducido por hidrógeno es un problema presente en los ductos que transportan hidrocarburos con residuos de CO 2, H2S y H2O. La combinación de estos elementos producen corrosión en las paredes internas del tubo, limitando su vida útil. La reacción que ocurre en la tubería se expresa de la siguiente forma: Fe + H2S  FeS + H2 (Gas) El hidrógeno que se produce en esta reacción se difunde hacia el interior del tubo, ocasionando fragilización y agrietamiento. Los átomos de hidrógeno disueltos en el acero tienden a recombinarse en las inclusiones no metálicas presentes en el material o en la interfase de estas con el metal para así formar moléculas de hidrógeno diatómico. Esta reacción genera altas presiones que propician la formación de grietas en el material.

Tubería de PEMEX. Se presenta un mayor daño corrosivo en la misma por la cantidad y tipo de fluidos que transporta.

 Además, la FIH (Fisuración Inducida por Hidrogeno) se produce a una temperatura ambiente, en ausencia de tensiones, cuando parte del H atómico generado en la superficie del acero como consecuencia de una reacción de corrosión penetra y se recombina en forma molecular, en interfase entre la matriz metálica y partículas no

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metálicas (inclusión), alcanzando presiones suficientemente altas como para despegar las interfases y producir ampollas y/o fisuras.

Fractura característica por el ataque por hidrogeno con énfasis en fisuración.

Fragilización asistida por hidrogeno:

El FPH es el tipo de daño por Hidrógeno mas peligroso y el menos conocido en Io referente a su mecanismo. Este tipo de daño se traduce por una alteración de la mayoría de las propiedades mecánicas del material, especialmente pérdida de la ductilidad, pudiendo llegar a producir una rotura catastrófica. Para que se produzca la FPH se necesita una cantidad mínima de H en el material (concentración critica), una tensión mínima en el rango elástico (tensión crítica) aplicada y/o interna y una microestructura susceptible.

Es de carácter reversible, es decir que, si es detectado a tiempo puede eliminarse mediante tratamientos adecuados. Aunque es muy peligrosa, debido a que no es detectable fácilmente por control no destructivo. Lo que es sumamente grave es que, en el caso de piezas libre de tensiones residuales o externas, la fragilización puede producirse luego de la aplicación de tensiones, es decir en la puesta en servicio de dicha pieza (rotura diferida).

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Fragilización por Hidrogeno. La superficie del material (acero inoxidable austenítico 304-L) se muestra afectada claramente a simple vista. Reacciones efectuadas en el medio:

La reacción catódica sobre el acero al carbón responsable de la corrosión del hierro puede ser atribuido a la evolución del hidrógeno.

En el proceso de la reducción del hidrógeno se lleva a cabo en una atm osfera diluida de que provea protones al sistema, los cuales tienden a adsorberse en la superficie del metal (1) lo que provoca una transferencia de electrones del metal hacia los protones absorbidos en la superficie, que a su vez se reducen (2) y posteriormente se combinan para formar hidrógeno molecular (3), para formar junto con otras moléculas una burbuja de hidrógeno gaseosa (4).

Síntesis visual para la corrosión con aplicación de un ánodo y un catodo.

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Reacción anódica:

En forma general la reacción anódica o de oxidación se caracteriza por el incremento en la valencia del material que se disuelve mientras los electrones liberados se recombinan en el proceso de reducción o reacción catódica.

Representación gráfica de como se efectúa la reacción anódica en el metal.

Teorías sobre el porqué se producen los diferentes ataques por hidrogeno en un metal: •

Fragilización del material, resultado de los cambios de fase debido a la presencia del hidrógeno

•

Aumento de la plasticidad local.

•

Decohesión que produce decremento de la fuerza entre el enlace atómico resultado de la concentración local de H. Ejemplo clásico sobre el ataque por Fragilización.

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Caso del Cobre (Cu):

EI cobre también está sujeto al daño por hidrogeno cuando se encuentra expuesto a una atmósfera de hidrogeno. Se puede mencionar los casos de recocidos en una atmosfera hidrogenada, de soldadura, etc. EI Hidrogeno difunde en el material y luego se produce la reducción del óxido de cobre con la producción de vapor de agua.

Consecuencias por el daño por hidrogeno:

Como el mismo se encuentra generalmente en los bordes de granos, se producen cavidades en los mismos y se observa la superficie con ampollas. La susceptibilidad depende de la cantidad de óxido.

Ejemplo máximo sobre el daño por hidrogeno en metales.

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Evitar el daño por hidrogeno: •

Eliminar inclusiones de sulfuro manganoso, reduciendo el contenido de azufre

•

Adicionar calcio para dar forma esférica a las inclusiones y que permanezcan así después del proceso. (Debido a la dureza).

•

Adicionar cobre en un equivalente al menos del 0.25% peso para reducir la penetración del hidrógeno.

Modo de ataque por hidrogeno existente.

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Bibliografía y Referencias Web: •

Morales Reyes, A. (2004).  Análisis de estabilidad mecánica de laminaciones escalonadas en recipientes cilíndricos con presión interna aplicando el método del elemento finito . Doctorado. Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas.

• 

http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=47821598012

• 

http://azterlan.blogspot.mx/2013/07/efecto-de-la-fragilizacion-por.html

• 

http://www.cimsaww.com/internet/es/cupropedia/la_corrosi_n/fragilizacion_p or_hidrogeno/fragilizacion_por_hidrogeno.jsp

• 

http://www.cab.cnea.gov.ar/ieds/images/extras/hojitas_conocimiento/materi ales/pag_07_y_08_dano_por_hidrogeno-ovejero_garcia.pdf (El Autor-Doctor José Ovejero García tiene un doctorado en física por la Universidad Nacional de Tucúman, en Argentina, y forma parte del Instituto de Energía y Desarrollo Sustentable, en Argentina.)

• 

http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/14/749/14749 336.pdf (Cuenta con respaldo de la Comisión Nacional de Energía Atómica, dependiente de la presidencia argentina)

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