Introducción: Fisuración por corrosión bajo tensión en la industria

La fisuración por corrosión bajo tensión (SCC, por sus siglas en inglés) es un mecanismo de daño bien conocido que puede ocurrir bajo condiciones físicas y químicas específicas en las industrias del petróleo y el gas, química y nuclear. Si bien la detección de la corrosión bajo tensión (SCC) se ha vuelto cada vez más efectiva con las técnicas de ultrasonido de matriz de fases, el dimensionamiento preciso de dichas grietas sigue siendo un desafío, especialmente en materiales con atenuación acústica y anisotrópicos, como los aceros inoxidables utilizados en los sectores de petróleo, gas y nuclear.

Para que se desarrolle la corrosión bajo tensión, deben presentarse simultáneamente tres condiciones:

a. Material susceptible

b. Material susceptible b. Un entorno de tensión (por ejemplo, tensión residual de la soldadura). c. Un ambiente corrosivo (p. ej., exposición a cloruros)

c. Un ambiente corrosivo (p. ej., exposición a cloruros)

Las temperaturas elevadas pueden acelerar el proceso de formación de daños.

En la industria petrolera y gasífera, la corrosión bajo tensión (SCC) en soluciones salinas concentradas se ha asociado con varios incidentes que involucran estructuras offshore fabricadas con aceros inoxidables dúplex, como se documenta en las referencias (1), (2) y (3). Diversos estudios (4, 7) han investigado la corrosión bajo tensión (SCC) en recipientes a presión revestidos utilizados en aplicaciones offshore, evaluando diferentes técnicas de detección y caracterización de grietas. La Figura 1 muestra macrografías de corrosión bajo tensión (SCC) transgranular e intergranular en la capa de revestimiento austenítico de un recipiente a presión.

En las centrales nucleares, la corrosión bajo tensión (SCC) es un importante mecanismo de degradación por envejecimiento que afecta a componentes sensibles tanto en reactores de agua en ebullición (BWR) como en reactores de agua a presión (PWR). Se ha informado que los componentes hechos de aceros inoxidables austeníticos son susceptibles a la SCC intergranular (4, 5). Un factor específico de los entornos nucleares es la exposición a una alta fluencia de neutrones, lo que puede hacer que los aceros inoxidables sean susceptibles a la corrosión bajo tensión (SCC), un fenómeno conocido como agrietamiento por corrosión bajo tensión asistido por irradiación (IASCC). En otros casos, se han reportado daños por corrosión bajo tensión cerca de juntas soldadas en los sistemas de inyección de seguridad de los P.W.R. (6). También se puede encontrar información adicional sobre FCBT en la referencia (10).

Estructura típica de la CBT y su interacción con haces ultrasónicos

La fisuración por corrosión bajo tensión es un mecanismo de fallo complejo que resulta de los efectos combinados de la tensión de tracción y un entorno corrosivo. Comprender la estructura y la geometría del SCC es esencial para una detección y caracterización efectivas.

Estructura de la fisuración por corrosión bajo tensión

La SCC suele iniciarse en la interfaz donde los materiales susceptibles están expuestos tanto a esfuerzos de tracción como a un entorno corrosivo. A partir de la superficie, las grietas se propagan en el material como ramificaciones finas y agudas, generalmente orientadas perpendicularmente al esfuerzo de tracción. Con el tiempo, pueden formar redes de grietas finas interconectadas. A medida que las grietas se propagan, sus puntas interactúan con la estructura de grano del material, que a menudo guía su crecimiento.

Figura 2 muestra un ejemplo de un componente de acero inoxidable afectado por SCC. Una visión teórica integral de los fenómenos de corrosión bajo tensión (SCC) en diversos materiales se puede encontrar en la referencia 8.

Detección de grietas por corrosión bajo tensión

Aunque la corrosión bajo tensión (CBT) en una etapa avanzada puede ser visible en la superficie, la morfología característica—ramificaciones finas y puntas de grietas estrechas que se extienden dentro del material—hace que la inspección visual sea poco confiable e insuficiente para la evaluación no destructiva.

Métodos de ensayo no destructivos (END), como los penetrantes líquidos o la inspección por arreglo de corrientes de Foucault (ECA), se utilizan comúnmente para evaluar grietas superficiales mediante la detección de aberturas de grietas (Figura 3). Sin embargo, las puntas, ramificaciones y redes de grietas más profundas se evalúan normalmente mediante técnicas de inspección ultrasónica.

Los haces de ultrasonido con frecuencias de onda adecuadas pueden propagarse a través del material y detectar grupos de grietas o características individuales de las grietas, como la base, las ramificaciones o las puntas. Esta capacidad permite caracterizar las grietas, incluyendo la conectividad de la superficie, la orientación y la profundidad.

Un ejemplo de datos ultrasónicos de arreglo de fases se muestra en la Figura 4 (4). El eco superior representa la punta de una grieta o una rama superior que se extiende hacia el material, mientras que el eco de la base probablemente es generado por el sonido atrapado en la esquina formada por la base de la grieta y la pared posterior del componente. La medición del tiempo de vuelo entre estos dos ecos proporciona una estimación de la altura de la grieta.

Interacción acústica con una muesca vertical

Un modelo simplificado utilizado comúnmente para evaluar las respuestas ultrasónicas de las fisuras es una muesca vertical. Las muescas verticales se utilizan comúnmente como referencias de calibración de sensibilidad para métodos de inspección dirigidos a defectos verticales o casi verticales.

Generalmente, la respuesta esperada de una fisura vertical conectada a la pared posterior es un eco fuerte proveniente de la "trampa" de la esquina, o la base de la fisura, y una señal más débil (difractada) desde la punta de la fisura. Se muestra un ejemplo en la Figura 5, donde un haz ultrasónico simulado interactúa con una muesca vertical simple. Se aprecian claramente dos ecos principales: Un eco difractado de baja amplitud proveniente de la parte superior del defecto y un eco más fuerte reflejado desde la esquina formada por la base de la muesca y la pared posterior.

Técnicas y su potencial: TOFD, PA, TFM, PCI

Se pueden utilizar diversas técnicas avanzadas de imágenes ultrasónicas para inspeccionar defectos verticales:

1. Difracción por tiempo de vuelo (TOFD). TOFD es altamente sensible a pequeñas discontinuidades como puntas de grietas, bordes de fallas y porosidades, y se utiliza ampliamente para la inspección de soldaduras. Sin embargo, el TOFD resulta menos adecuado para estructuras metálicas afectadas por redes extensas de corrosión bajo tensión, ya que su configuración de dos sondas limita su capacidad para producir mapas bidimensionales.
2. Arreglo de fases estándar Ensayo por ultrasonido por arreglo de fases (PAUT). Las inspecciones con arreglo de fases suelen utilizar ondas transversales o longitudinales transmitidas en múltiples ángulos mediante un escaneo sectorial dirigido hacia la falla sospechosa.
3. Método de focalización total (TFM). TFM produce haces focalizados en cada punto dentro de una región de interés definida. Los operadores pueden seleccionar diferentes trayectorias de sonido o conjuntos de haces para la zona de inspección. Una configuración de pulso-eco directo produce una imagen similar a la de un escaneo sectorial con phased array, pero con una cobertura y un enfoque mejorados.
4. Modo autotándem del TFM. En esta configuración, el haz ultrasónico se refleja en la pared posterior, luego en el lado del defecto, antes de regresar a la sonda. Permite reproducir con mayor precisión la geometría vertical de la muesca.
5. Procesamiento de imágenes por coherencia de fase (PCI). La PCI es una técnica de imagen más reciente que se basa en la coherencia de fase de las señales reflejadas. Es particularmente eficaz para realzar las señales difractadas, al tiempo que reduce la sensibilidad a los grandes reflectores especulares.

La figura 6 ilustra la respuesta de una muesca vertical utilizando estas cuatro técnicas de formación de imágenes.

• Figura 6 a) Datos de escaneo sectorial con arreglo de fases de una muesca real en una placa de acero. Se observa una señal difractada débil procedente de la punta y un eco de trampa de esquina mucho más fuerte.
• Figura 6 b) Datos de eco de pulso TFM de la misma muesca vertical. Al enfocar en todos los puntos de la zona de interés, ambas características —la punta y la base— se distinguen fácilmente con muy buena resolución.
• Figura 6 c) Datos PCI de la misma zona de interés que en los datos TFM. PCI mejora el eco difractado de la punta y minimiza el eco de la base. Puede ofrecer una resolución superior cerca de la pared posterior para grietas que se extienden solo unos pocos milímetros desde dicha pared, así como una mayor capacidad de detección de puntas o pequeñas ramificaciones.
• Figura 6 d) Datos TFM en modo autotándem (TT T). Reproduce una vista de la muesca en condiciones reales.

Todos estos métodos permiten medir la altura de la grieta mediante la medición del tiempo de vuelo entre el eco de la punta y el eco de la esquina de la base.

Morfología compleja de grietas – interacción ultrasónica con puntas y ramificaciones de SCC

En la práctica, la SCC (corrosión bajo tensión) es mucho más compleja que una simple entalladura. A menudo consiste en grupos o redes de grietas interconectadas con múltiples bases y ramas. Los pequeños rincones dentro de esta red pueden reflejar ondas ultrasónicas si están orientados hacia el haz de sonido incidente. Además, las ramas más alejadas y sus puntas pueden volverse más estrechas con la profundidad y extenderse hasta el nivel del grano del material. Es probable que estas puntas sean muy difíciles de detectar mediante ultrasonido.

Otro parámetro importante es el origen y la orientación de la grieta. Dependiendo de la fuente y dirección de la tensión, las grietas por corrosión bajo tensión (SCC) pueden originarse en la superficie exterior (grietas conectadas al exterior, OD) o en la superficie interior (grietas conectadas al interior, ID). Con respecto a la exposición a los haces ultrasónicos utilizados para la inspección, las grietas conectadas al interior (ID) tienen puntas expuestas a una onda directa, mientras que las grietas conectadas al exterior (OD) pueden exponer ramificaciones, lo que proporciona un acceso indirecto y más limitado a sus puntas.

Para comprender mejor la complejidad de cómo interactúan las ondas sonoras con las grietas, se pueden utilizar modelos simplificados de grietas y simulaciones de haces de sonido. Figura 7 muestra un modelo simplificado de una grieta y el resultado de un haz de sonido incidente sobre sus puntas y esquinas. El haz ultrasónico se dispersa en todas las direcciones por las esquinas y ramificaciones de la grieta. Es probable que también se produzcan conversiones de modo, lo que dificulta la interpretación de los datos (las conversiones no se muestran en este caso).

Una característica clave de las discontinuidades que son considerablemente más pequeñas que la longitud de onda incidente es la difracción. Las ondas difractadas se generan en las puntas de las grietas o en pequeñas esquinas y se propagan en todas las direcciones. Las señales difractadas suelen ser más débiles que los ecos procedentes de esquinas y ramificaciones. Para distinguir las puntas y ramificaciones de las grietas de la base, puede ser necesaria una mayor resolución, lo que significa el uso de haces de mayor frecuencia. Figura 8 muestra un escaneo de matriz de fase sectorial ampliado de una grieta simulada con una rama larga, una punta y múltiples pequeñas esquinas. En este caso, las difracciones débiles de la punta se pueden separar de los ecos de las ramas y los vértices debido a la longitud de onda más corta (10 MHz, ondas transversales) y a la mayor distancia de separación entre las puntas y las ramas. Una observación importante es que incluso las puntas que no están orientadas hacia el haz incidente pueden producir ecos difractados, mientras que algunas ramas fuera de la trayectoria del haz pueden no producir ninguna reflexión.

Optimización del haz. Cómo elegir la configuración adecuada para aumentar la probabilidad de detección de grietas por SCC

La matriz de fases ofrece una amplia variedad de parámetros a considerar al planificar un proyecto de inspección de SCC. Tabla 1 proporciona una lista completa, aunque no exhaustiva, de parámetros junto con sus ventajas y desventajas para la inspección de SCC.

Como suele ocurrir con el arreglo de fases, al seleccionar la sonda adecuada se debe considerar la aplicación, incluyendo el tipo de material, el tipo y la geometría del defecto, así como los requisitos de detección y dimensionamiento. Con mucha frecuencia, la solución más adecuada, dictada por el material, entra en conflicto con los requisitos de detección.

Por ejemplo, los materiales gruesos o de grano grueso suelen requerir una apertura mayor, elementos de sonda más grandes, una frecuencia más baja y, posiblemente, sondas lineales de onda longitudinal o incluso TRL. En cambio, detectar grietas pequeñas, puntas y ramas requiere alta resolución y haces divergentes, por lo tanto, mayor frecuencia, elementos de sonda más pequeños y ondas longitudinales. En estos casos, el compromiso se vuelve fundamental.

Tabla 1 presenta los parámetros y métodos de la sonda de matriz de fase, junto con sus ventajas y desventajas para la detección de SCC.

Tabla 1 Lista de parámetros a considerar al planificar la inspección SCC. (+) beneficios; (-) limitaciones.

Las siguientes figuras proporcionan ejemplos de casos de uso para tres técnicas de imagen utilizadas para la detección y el dimensionamiento de áreas de grietas.

Figura 9 presenta la técnica TRL. Una sonda dual utiliza un elemento para transmitir la señal y el otro para recibirla, al tiempo que genera ondas longitudinales en la parte inspeccionada. Una característica de las sondas duales es el cruce de haces, que produce una región pseudofocal en la intersección de los haces transmitidos y recibidos. Este enfoque mejora la sensibilidad a las puntas de las grietas en la zona de intersección de los haces. La desventaja de usar ondas longitudinales es la generación adicional de ondas transversales (SW), que viajan a una velocidad menor y crean ecos adicionales que son difíciles de identificar como originados por ondas transversales.

Figura 10 muestra un ejemplo de una imagen de coherencia de fase de una grieta superpuesta a una fotografía de una sección de la muestra inspeccionada. Esta visualización proporciona una explicación simplificada sobre cómo funciona la obtención de imágenes por coherencia de fase y cómo las ondas ultrasónicas interactúan con las grietas. En este ejemplo, las indicaciones rojas y amarillas son señales difractadas de PCI correspondientes a puntas y ramificaciones de grietas ubicadas en el mismo lado que la sonda de matriz de fases. También muestra que el sonido es bloqueado por las primeras ramas que encuentra en su camino y, por lo tanto, no puede alcanzar ramas más distantes.

Figura 11 y Figura 12 presentan datos adquiridos mediante tres técnicas: PA, TFM y PCI, con una sonda dual de 10 MHz. Los datos se adquirieron en componentes estructurales de acero inoxidable de gran espesor (50 mm). Las grietas se inician y se abren en la superficie (OD) y se propagan en profundidad. El reto consiste en detectar la punta de la grieta más profunda e informar de su profundidad. En todos los casos, la grieta solo es visible cuando se encuentra en la trayectoria directa del sonido generado por la sonda PA. Cuando la grieta está oculta o sombreada por otras, solo un salto completo desde la pared posterior puede brindar alguna posibilidad de detección. Al comparar las tres técnicas, se pueden hacer las siguientes observaciones:

• TFM y PCI cubren un área de inspección más amplia que el ultrasonido por arreglo de fases.
• En el ultrasonido por arreglo de fases, la sensibilidad depende del plano focal seleccionado, mientras que TFM proporciona enfoque en todos los puntos del área de interés.
• P.C.I. proporciona una sensibilidad similar en todos los puntos; su relación señal/ruido no se ve afectada por la atenuación del sonido, la posición de la punta de la grieta ni la orientación. Se obtiene una sensibilidad similar en todos los extremos de la grieta.

El último caso presentado en la Figura 13 ilustra la medición de la altura de una grieta en una capa de revestimiento mediante el método de difracción por tiempo de vuelo. En las técnicas basadas en amplitud (PA y TFM), el eco de la punta es débil, mientras que se captura un eco fuerte de la base de la grieta (trampa de esquina). En la técnica basada en fase (PCI), el eco difractado de la punta se potencia, mientras que el eco de atrapamiento en esquina desde la base de la grieta presenta menor sensibilidad. Utilizando dos de los métodos mencionados anteriormente (uno basado en la fase y otro basado en la amplitud), este tipo de grieta se puede medir y clasificar (grieta conectada a la pared posterior o inclusión aislada).

Conclusión: Selección de técnica y sonda, limitaciones del ultrasonido

La detección, clasificación y dimensionamiento de defectos de agrietamiento por corrosión bajo tensión pueden resultar difíciles en condiciones de campo debido a su morfología compleja, que incluye una multitud de puntas y ramificaciones con orientaciones aleatorias. Esto hace que la interacción con los haces ultrasónicos y su interpretación sea más complicada que la detección de defectos más comunes (delaminaciones, falta de fusión, porosidades, etc.).

Se ha demostrado mediante datos experimentales de ultrasonido y simulaciones que, en el caso de agrietamiento, el haz ultrasónico interactúa principalmente con características de la grieta como puntas, ramificaciones y conexiones de ramificaciones o esquinas. La forma en que los haces interactúan con estas características varía significativamente, desde ecos de gran amplitud generados por esquinas y ramas grandes hasta ondas difractadas débiles generadas por puntas y ramas pequeñas. Teniendo esto en cuenta, la sonda de matriz de fase utilizada para generar y detectar ultrasonido en la pieza inspeccionada debe tener al menos las siguientes propiedades:

• Capaz de generar ondas divergentes (para cubrir también la zona superior en ángulos elevados)
• Sensible a las señales difractadas (elementos pequeños)
• Capaz de generar longitudes de onda cortas para una alta sensibilidad a las puntas (alta frecuencia)
• Capaz de generar haces enfocados de alta energía para penetrar materiales atenuantes (sondas duales)

Respecto a la técnica de imagen, debe ser capaz de realzar los ecos difractados de baja amplitud al mismo tiempo que detecta los ecos de trampa de esquina de alta amplitud.

El presente estudio identificó soluciones basadas, aunque no exclusivamente, en ondas longitudinales generadas por sondas con un elevado número de elementos en una configuración TRL (transmisor-receptor longitudinal), proporcionando un enfoque mejorado y una penetración optimizada, junto con un tamaño de elemento pequeño y una frecuencia relativamente alta (en la medida en que lo permite la estructura del material). También mostró que una técnica basada en amplitud, como la matriz de fase sectorial o TFM, debe utilizarse en combinación con una técnica basada en fase, como PCI (o la TOFD, cuando corresponda). En conjunto, estas técnicas mejoran la caracterización de defectos mediante la detección tanto de esquinas o bases como de puntas o ramificaciones más pequeñas.

Referencias

[1] HSE Offshore Division Aviso de seguridad 3/3003, Fecha de emisión: Dic. 2003;

[2] R. Mack, C. Williams, S. Lester y J. Cassava, 'Agrietamiento por corrosión bajo tensión de una tubería de producción de acero inoxidable dúplex 22 Cr trabajado en frío en un fluido de empaquetamiento de salmuera clara de alta densidad CaCl²', Documento n.º 02067, Corrosion 2002, Denver, NACE Int., Houston, TX., 2002;

[3] NPL REPORT, DEPC MPE 008, Stress Corrosion Cracking of Duplex Stainless Steels in Concentrated Brines – A Critique of Testing

[4] Práctica Recomendada HOIS para la Inspección No Intrusiva (NII) de Recipientes a Presión – HOIS RP-103, febrero de 2020

[5] IAEA Nuclear Energy Series: Agrietamiento por corrosión bajo tensión en reactores de agua ligera: Buenas prácticas y lecciones aprendidas

[6] Informe de la ASN sobre el estado de la seguridad nuclear y la protección radiológica en Francia en 2022

[7] HOIS Guía sobre NII de recipientes revestidos, HOIS-G-026 Edición 1, septiembre de 2020, https://esrtechnology.com/hois/

[8] Raja, V. S., Shoji, Tetsuo., <i>Agrietamiento por corrosión bajo tensión</i>: teoría y práctica, Oxford, Filadelfia: Woodhead Publishing Ltd, 2011.

[9] Agradecimientos por la entrega de la muestra al HOIS Joint Industry Project: https://www.esrtechnology.com/index.php/services/non-destructive-testing-good-practice/hois-ndt

[10] Pauline Huguenin. Amorçage des fissures de corrosion sous contrainte dans les aciers inoxydables austénitiques pré-déformés et exposés au milieu primaire des réacteurs à eau sous pression. Autre. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2012. Français. NNT : 2012ENMP0069. pastel- 00818372