Falla del recargue por soldadura en recipientes hidrometalúrgicos
La mayor parte de las fallas de recargue en recipientes hidrometalúrgicos empieza en el primer cordón, no en servicio. Una dilución de hierro por encima de 10 % lleva la química de la primera capa por debajo de la especificación resistente a la corrosión, y el defecto queda bajo 3 mm de metal sano hasta que un poro lo conecta con el proceso. En una revisión de 42 recargues de autoclaves y recipientes de lixiviación, 31 tenían al menos un punto con hierro de primera capa sobre 8 %, y los tres recipientes que fallaron en servicio tenían zonas desprendidas mayores de 0.8 m² que el END ultrasónico por muestreo no detectó.
Puntos clave
- La dilución de la primera capa es la causa raíz dominante; el hierro sobre 8–10 % elimina el margen de molibdeno y cromo que se pagó.
- El desprendimiento es un defecto de línea de unión, detectable por ultrasonido solo si la malla de barrido es suficientemente densa.
- El número de ferrita fuera de rango predice fase sigma en recargue 316L y fisuración en recargue dúplex.
- La fisuración por relajación en acero 2.25Cr-1Mo aparece después del PWHT, no durante la soldadura.
- La reparación cuesta 8–15 veces el recargue original por metro cuadrado una vez que el recipiente ha estado en servicio.
Qué es el recargue y por qué falla
El recargue es una capa de aleación resistente a la corrosión depositada por soldadura sobre un límite de presión de acero al carbono o baja aleación, de modo que el metal base lleva la presión y el recargue lleva la química. Se diferencia del clad en que la unión se crea en el taller por arco y no por laminación en caliente, lo que da más libertad geométrica y más oportunidad de error de proceso. La dilución es la fracción de metal base que se funde en la primera capa: depositar a 20 % de dilución desde SA-516 Grado 70 con aporte 316L deja un recargue con cerca de 4 % de cromo aportado por el metal base, con una química más cercana a un 309 que a un 316L, y por eso la especificación debe controlar la dilución, no solo el aporte.
El desprendimiento es una separación en la interfase que no lleva carga pero crea un hueco; el hueco se vuelve grieta, la grieta concentra cloruro y ácido, y el metal base corroe bajo un recargue visualmente perfecto. Es el modo que más se escapa a la inspección, porque un recargue desprendido se ve y se sondea igual que uno unido. El número de ferrita mide la ferrita delta del metal soldado austenítico y es el control de proceso más útil: poca ferrita predispone a fisuración de solidificación, demasiada transforma a sigma en servicio caliente, perdiendo tenacidad y resistencia. Para 316L en autoclave el rango de trabajo es 3–10 FN y para dúplex 2205, 30–60 FN, ambos confirmados por calificación del procedimiento. La fisuración por relajación es el fallo del metal base susceptible —clásicamente 2.25Cr-1Mo— en la zona afectada de grano grueso durante el PWHT: la relajación concentra deformación en bordes de grano debilitados por segregación, y la fisura aparece paralela a la línea de fusión, invisible a métodos superficiales.
Los cinco mecanismos que vemos con más frecuencia son: dilución de primera capa fuera de especificación —pasa visual y líquidos penetrantes y luego muestra picado a 12–24 meses siguiendo los cordones, con hierro de 10–25 % donde se pedía bajo 5 %—; desprendimiento en la línea de fusión —penetración insuficiente, contaminación de superficie (aceite, calamina, pintura, humedad) o hidrógeno de consumible húmedo—; fase sigma —subida de dureza y pérdida de tenacidad tras 2–5 años a 400–500 °C o ciclos largos de PWHT, con formación más rápida entre 600 y 900 °C—; fisuración por relajación en la ZAC; y corrosión en grieta en el pie del recargue y en las terminaciones de cordón. Los dos primeros nacen en los primeros 3 mm y son prácticamente invisibles una vez cerrado el recipiente: por eso el dinero en calificación y examen de primera capa no es gasto general, es el único momento en que esos defectos se encuentran barato.
Cómo especificar un recargue que pase la calificación
«Recargue 316L, 3 mm mínimo» no es una especificación, es un deseo. La Tabla 1 reúne los parámetros que deben ser numéricos para poder exigir un resultado.
Tabla 1 — Parámetros de especificación del recargue
| Parámetro | Requisito típico | Verificación | Consecuencia si no se controla |
|---|---|---|---|
| Espesor terminado | 3 mm mín.; 4 mm en servicio erosivo | Malla ultrasónica de 100 mm | Metal base expuesto en puntos altos |
| Hierro en primera capa | ≤5 % | PMI en cupón | PREN bajo la intención de la aleación |
| Hierro en superficie terminada | ≤1 % | PMI en superficie de producción | Pasivación falsa, manchas de óxido |
| Ferrita, 316L | 3–10 FN | Ferritoscopio calibrado | Fisuración de solidificación o sigma |
| Ferrita, dúplex 2205 | 30–60 FN | Ferritoscopio | Fisuración, pérdida de tenacidad |
| Dilución | ≤15 % en primera capa | Metalografía de cupón | Química fuera de especificación |
| Integridad de unión | 100 % unido, sin indicación >25 mm | UT según ASTM A578 | Corrosión en grieta bajo el recargue |
| Resistencia al corte de unión | ≥138 MPa (20 ksi) | Cupón según ASTM A263/A264 | Desprendimiento con ciclado térmico |
| Dureza, servicio NACE | ≤22 HRC (250 HV10) | Barrido en 10 % del área | Fisuración por sulfuro |
| Acabado | Ra ≤3.2 µm, sin cebados de arco | Visual y PT en terminaciones | Sitios de iniciación de grieta |
| Temperatura entre pasadas | ≤150 °C en 316L, ≤120 °C en dúplex | Pirómetro de contacto registrado | Sigma, pérdida de resistencia |
Dos hábitos de especificación rinden de forma desproporcionada: el cupón de prueba de producción, soldado con el mismo procedimiento, posición, aporte térmico y lote de consumible, cortado para química, ferrita y unión, que convierte la calificación de papel en evidencia del trabajo real; y el mapa de soldadura, con cada pase registrado por soldador, procedimiento, fecha y lote, para que una indicación del año tres se rastree a un pase concreto.
Qué detecta realmente el END
Cada método ve un conjunto distinto de defectos y ninguno ve todo. El visual detecta cebados, salpicaduras y metal base expuesto pero nada subsuperficial; el PT ve fisuras y poros que afloran y es ciego al desprendimiento, la dilución y la sigma; el UT de haz recto ve desprendimiento en la línea de fusión con malla de 100 mm pero no fisuras paralelas al haz; el UT de haz angular ve fisuración en la ZAC y por relajación, sobre todo después del PWHT; la radiografía ve porosidad y falta de fusión pero no fisuras cerradas ni desprendimiento; el PMI ve química y contenido de hierro pero no unión ni fisuras; el ferritoscopio y el barrido de dureza cierran el resto. La conclusión práctica es que PMI y UT atacan los dos mecanismos dominantes y ambos se especifican con demasiada frecuencia a una cobertura que no significa nada: una malla de 300 mm en un recipiente de 4 m deja sin detectar buena parte de un desprendimiento de 0.5 m², y PMI solo en la superficie terminada nunca revela el problema de primera capa, porque las capas segunda y tercera vuelven a diluir el hierro a un valor que pasa. Añada el corte metalográfico del cupón de producción: es lo único que ve la microestructura real de la primera capa y cuesta cientos de dólares frente a un recipiente de siete cifras.
Cómo reparar un recargue fallido
El procedimiento depende de si el defecto es de química superficial, de línea de unión o de fisuración del metal base, y los tres tienen consecuencias muy distintas para el límite de presión. Mapear antes de cortar, con UT en malla de 50 mm y PMI cada 200 mm. Retirar por mecanizado, no por arco-aire, siempre que la geometría lo permita, porque el arco-aire arrastra carbono y cobre al metal base y obliga a retirar 2–3 mm más; cualquier retiro que lleve el metal base bajo el mínimo calculado debe evaluarse contra el espesor de diseño. Examinar el metal base expuesto con PT y UT de haz angular: si hay fisuración por relajación, ya no es un problema de recargue sino una reparación de soldadura del metal base con su propia calificación y su nueva aritmética de espesor. Recalificar si el procedimiento difiere, aunque el original siga válido para producción. Depositar con primera capa controlada, menor aporte, cordones rectos en vez de oscilantes y capa tampón donde el metal base es alto en carbono o la geometría es cerrada, verificando el hierro antes de continuar. Examinar antes y después del PWHT: UT de unión y PT antes, UT de haz angular después. Y documentar la reparación como documento permanente. El paso que más se omite es el tercero: un desprendimiento suele ser síntoma de hidrógeno o contaminación que también afectó al metal base debajo, y reparar el recargue sin examinarlo produce una recaída en 18 meses, con la segunda reparación mayor que la primera.
Cuánto cuesta la falla y qué dicen tres casos
La estructura de costo la domina la pérdida de producción, no la reparación: aplicar recargue original cuesta 350–600 USD/m², re-revestir tras servicio 800–1,500 USD/m², retirar y rehacer refractario de autoclave 40,000–120,000 USD por campaña, y la pérdida de producción de una autoclave 60,000–250,000 USD por día. Frente a eso, la calificación del procedimiento con cupones cuesta 6,000–15,000 USD por procedimiento, el cupón de producción con metalografía 800–2,000 USD por trabajo, y pasar de malla de 300 a 100 mm añade 4,000–9,000 USD por recipiente: en total 12,000–26,000 USD en un recipiente grande, menos de una décima parte de una sola falla con retiro de refractario y ocho días perdidos.
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Los tres casos reales comparten el mismo patrón. Un tanque de lixiviación agitada de 90 m³ a 65 °C con 15 g/L de H2SO4 y 280 mg/L de cloruro mostró picado siguiendo los cordones a los 18 meses, con hierro de primera capa de 11–14 % y PREN calculado cayendo de 25 a unos 19; la causa fue dilución alta por depósito de 4 mm en un solo pase sobre superficie cortada con llama, y la reparación cubrió 6.2 m² a 1,050 USD/m². Una autoclave de oxidación con recargue de Alloy 625 sobre 2.25Cr-1Mo presentó 14 indicaciones paralelas a la línea de fusión en 2.4 m de costura tras el PWHT, por calentar a 55 °C/h en el rango de 550–650 °C frente a los 30 °C/h calificados: 12 mm de excavación, 96,000 USD y 11 días de plazo, sin haber entrado en servicio. Y un recipiente de flash con dúplex 2205 mostró corrosión selectiva por la red de ferrita a los cuatro años, 32 HRC frente a 26 de línea base y FN 68 frente a 35–50 calificados, por aporte excesivo durante una reparación en el año dos sin control de temperatura entre pasadas, con re-revestido del 40 % del área mojada a 1,240 USD/m². Los tres números para recordar —11–14 % de hierro donde se pedía 5 %, 55 frente a 30 °C/h y FN 68 frente a 35–50— son fallas de control de proceso del taller, y las tres se habrían detectado con un cupón de producción ensayado antes de que el recipiente saliera.
Preguntas frecuentes
¿Cuánto hierro es aceptable en la primera capa?
Cinco por ciento o menos en primera capa es el límite práctico para 316L y dúplex en servicio con cloruro, y 1 % o menos en la superficie terminada. Sobre 8 % la dilución de molibdeno y cromo basta para llevar la aleación bajo su resistencia al picado prevista, aunque la superficie siga pasando un PMI sobre la segunda capa.
¿Cada cuánto se inspecciona un recargue en servicio?
Primera inspección a los 12–18 meses y luego según los hallazgos: típicamente 24 meses para un recargue sano en un circuito bien controlado y 12 meses donde cloruro, temperatura o ciclado están en el techo del diseño. Cada inspección debe repetir el UT en la malla original de 100 mm y el PMI en los mismos puntos para que los resultados sean comparables.
Si está especificando un recipiente con recargue o diagnosticando una falla existente, envíe el registro de calificación del procedimiento y los resultados de PMI. Criterios en la base de conocimiento y definiciones en el glosario.