Selección de Materiales para Servicios Especiales: Wet H2S (Hidrógeno Sulfurado Líquido)

El daño por H2S húmedo es un fenómeno que afecta a materiales de diversas industrias, especialmente aquellas relacionadas con el petróleo y el gas, la refinación, y el procesamiento químico. Este gas, en su forma líquida combinada con agua, conocido como «Wet H2S», representa un reto significativo para la selección de materiales, debido a su capacidad de acelerar la corrosión y la fragilización de componentes metálicos. En ambientes con Wet H2S, la integridad de las instalaciones industriales es crucial, pues un fallo en la selección del material puede resultar en fallos catastróficos, riesgos operacionales y altos costos de mantenimiento.

En este artículo, exploraremos este fenómeno, cómo afecta a los materiales y qué estrategias existen para prevenir o mitigar este problema.

Mecanismo de daño por H2S húmedo

El sulfuro de hidrógeno (H2S) es un gas incoloro, tóxico e inflamable que se encuentra comúnmente en ambientes industriales. En presencia de agua, ya sea en forma de vapor, condensado o líquido, se disuelve y genera ácido sulfhídrico, un ácido débil que promueve la corrosión en materiales metálicos, especialmente en aceros.

Cuando el H2S se disuelve, libera protones (H+), los cuales reaccionan fácilmente con compuestos susceptibles de oxidación, como el hierro presente en los aceros y este proceso acelera el deterioro de los materiales.

Es importante destacar que el verdadero daño no lo provoca el H2S en sí, sino los protones liberados, que penetran en los intersticios del acero, debilitando su estructura y favoreciendo los mecanismos de corrosión.

Factores que influyen en el daño por H2S húmedo

El daño por H2S húmedo depende de varios factores interrelacionados, incluyendo:

• Composición del material: los aceros al carbono, aceros de baja aleación y ciertos aceros inoxidables son particularmente susceptibles. La presencia de inclusiones o impurezas en el material aumenta la vulnerabilidad.
• Concentración de H2S: a mayores concentraciones, el gas se vuelve más agresivo.
• Temperatura y presión: las altas temperaturas pueden acelerar las reacciones químicas, mientras que la presión elevada facilita la solubilidad del H2S en agua.
• pH del medio: Un ambiente ácido (bajo pH) intensifica la corrosión.
• Presencia de agua: como se ha mencionado anteriormente, sin agua, el H2S no puede generar el medio corrosivo necesario para causar daño húmedo.
• Tensiones aplicadas: como se ha visto, las tensiones externas o internas incrementan el riesgo de fisuración inducida por sulfuro dependiendo el mecanismo de daño presente.

Tipos de daño por H2S húmedo

El daño por H2S húmedo se manifiesta de diferentes formas dependiendo de las condiciones del entorno y los materiales involucrados. Entre los tipos más comunes de daño se incluyen:

• Blisters (ampollas): se forman cuando el hidrógeno generado por la reacción del H2S con el metal queda atrapado debajo de la superficie del material, creando cavidades o ampollas internas que pueden debilitar la estructura. Esto se da mayoritariamente en tuberías soldadas y no es tan común en tuberías sin costura. Es tipo de daño se ve afectado principalmente por inclusiones/laminaciones, pero no está relacionado con la dureza del material ni es necesario que el material se encuentre bajo tensión. Para mitigarlo, se puede recurrir al precalentamiento y al cladding (un tratamiento térmico post soldadura no es aplicable en este caso).
• HIC (Hydrogen-Induced Cracking) y SWC (Step-Wise Cracking): la fisuración inducida por hidrógeno (HIC) ocurre cuando el hidrógeno se acumula en planos internos, paralelos a la superficie del metal. Esto puede llevar a una fractura escalonada conocida como SWC. Este tipo de daño también se ve particularmente afectado por las inclusiones y laminaciones y no está relacionado en sí con la dureza de material. La mitigación tampoco será por tratamiento térmico post soldadura, sino a través de un precalentamiento y cladding.
• SSC (Sulfide Stress Cracking): este tipo de fisuración ocurre cuando los iones de sulfuro interactúan con materiales metálicos bajo tensión, causando fracturas frágiles. Es común en aceros al carbono y de baja aleación expuestos a H2S. En este caso, si se produce cuando el material está sometido a estrés y la dureza es el principal problema. Se mitiga por medio de precalentamiento y tratamiento térmico post soldadura.
• SOHIC (Stress-Oriented Hydrogen-Induced Cracking): este fenómeno es similar al HIC, pero orientado por tensiones aplicadas al material, lo que resulta en patrones de fisuración que pueden comprometer significativamente la resistencia mecánica. Típicamente se da por la presencia de estrés residual y no está relacionado con la dureza del material. Un tratamiento térmico post soldadura puede minimizar sus efectos, sin embargo, se mitiga principalmente con cladding y precalentamiento.

Criterios para la selección de materiales

A la hora de seleccionar un material adecuado para ambientes en presencia de H2S húmedo, se deben considerar factores como la resistencia a la corrosión, las propiedades mecánicas, y la resistencia a la fragilización por hidrógeno.

Existen varios estándares industriales, como el NACE MR0175/ISO 15156, que definen los requisitos para los materiales utilizados en ambientes con H2S. Asegurarse de cumplir con estos estándares es esencial para garantizar la durabilidad y seguridad operativa.

Algunos ejemplos de materiales que comúnmente se emplean en la construcción de equipos y estructuras que operan en ambientes Wet H2S son:

• Acero inoxidable (316L, 2205 duplex): excelente resistencia a la corrosión. El 316L es ideal para concentraciones moderadas de H2S y ambientes con temperaturas y presiones controladas. El acero duplex 2205, que combina acero inoxidable austenítico y ferrítico, ofrece mejor resistencia a la corrosión en condiciones más extremas, como en aguas salinas o en presencia de concentraciones altas de H2S.
• Aleaciones de níquel (Inconel, Hastelloy): muy resistentes a la corrosión por H2S y a la fragilización por hidrógeno. Inconel es especialmente útil en ambientes con temperaturas elevadas, mientras que Hastelloy es resistente a la corrosión en una amplia gama de condiciones, incluidas las más severas. Estas aleaciones tienden a ser más costosas que los aceros inoxidables.
• Acero al carbono y aleado: Aunque estos materiales son menos resistentes a la corrosión en presencia de H2S, en algunos casos pueden ser utilizados si se emplean tratamientos como recubrimientos o si las condiciones del entorno no son tan agresivas. El tratamiento térmico y la aplicación de recubrimientos especializados pueden mejorar su resistencia.
• Recubrimientos y tratamientos superficiales: En algunos casos, se utilizan recubrimientos protectores como pinturas epóxicas, recubrimientos de polímeros o capas de níquel para aumentar la durabilidad de los materiales expuestos a H2S. También se pueden emplear tratamientos térmicos para mejorar la resistencia a la corrosión.

Prevención y mitigación

Prevenir el daño por H2S húmedo requiere una combinación de buenas prácticas de diseño, selección de materiales y control de condiciones operativas. Algunas estrategias clave incluyen: selección adecuada de materiales, uso de recubrimientos y revestimientos, control del medio ambiente, diseño estructural, inhibidores de corrosión y tareas de monitoreo y mantenimiento.

Conclusión

El daño por H2S húmedo representa un desafío considerable en entornos industriales, pero con un entendimiento profundo de los mecanismos involucrados y la implementación de estrategias adecuadas, es posible minimizar sus efectos. La selección de materiales resistentes, combinada con buenas prácticas operativas y mantenimiento preventivo, es clave para garantizar la seguridad y la longevidad de los equipos expuestos a este ambiente agresivo. Adoptar estas medidas no solo protege las inversiones industriales, sino que también salvaguarda a las personas y al medio ambiente de los riesgos asociados al H2S húmedo.

Para más información:
ASME | Selección de Materiales para Tuberías y RAP