UNIVERSIDAD VERACRUZANA

MÉTODO DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA CONTROLAR LA CORROSIÓN GALVÁNICA.

Fabre Cruz Giovanni Enrique, Juárez García Cesar, Palma Constantino Emilio, Gálvez Morales Josué Efraín, Zapata Mota Tony.

Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Universidad Veracruzana,

Circuito Dr. Gonzalo Aguirre Beltrán S/N, Zona Universitaria, Xalapa, Ver., México.

INSTRUCTOR DEL CURSO

DR. ANDRES LOPEZ VELASQUEZ

INTRODUCCION

El siguiente trabajo presenta los resultados del proceso de protección a la corrosión. Se presenta el proceso de protección catódica a través del ánodo de sacrificio.

Con el apoyo de manuales especializados en dichos temas se presenta una recopilación de información para generar una investigación más amplia sobre los temas citados anteriormente.

Así mismo se estudiaran subtemas relacionados a la corrosión. Por ejemplo los diferentes tipos de corrosión, clasificación de los procesos de corrosión, técnicas y ensayos de protección, etc.

Marco teórico.

Corrosión

Se entiende por corrosión la interacción de un metal con el medio que lo rodea, produciendo el consiguiente deterioro en sus propiedades tanto físicas como químicas. Las características fundamentales de este fenómeno, es que sólo ocurre en presencia de un electrólito, ocasionando regiones plenamente identificadas, llamadas estas anódicas y catódicas: una reacción de oxidación es una reacción anódica, en la cual los electrones son liberados dirigiéndose a otras regiones catódicas. En la región anódica se producirá la disolución del metal (corrosión) y, consecuentemente en la región catódica la inmunidad del metal.

Tipos de Corrosión

Se clasifican de acuerdo a la apariencia del metal corroído, dentro de las más comunes están:

-Corrosión uniforme: Donde la corrosión química o electroquímica actúa uniformemente sobre toda la superficie del metal

-Corrosión galvánica: Ocurre cuando metales diferentes se encuentran en contacto, ambos metales poseen potenciales eléctricos diferentes lo cual favorece la aparición de un metal como ánodo y otro como cátodo, a mayor diferencia de potencial el material con mas activo será el ánodo.

-Corrosión por picaduras: Aquí se producen hoyos o agujeros por agentes químicos.

-Corrosión intergranular: Es la que se encuentra localizada en los límites de grano, esto origina pérdidas en la resistencia que desintegran los bordes de los granos.

-Corrosión por esfuerzo: Se refiere a las tensiones internas luego de una deformación en frio.

Clasificación de los procesos de corrosión

La corrosión se puede clasificar según su morfología o según el medio en que se desarrolla es decir.

Clasificación según la forma

Cuando se quiere evaluar los daños producidos por la corrosión resulta muy conveniente la clasificación según la forma.

a) Corrosión uniforme: El ataque se extiende en forma homogénea sobre toda la superficie metálica y la penetración media es igual en todos los puntos. Esta es la forma más benigna de corrosión pues permite calcular fácilmente la vida útil de los materiales corroídos.

b) Corrosión en placas: Incluye los casos intermedios entre corrosión uniforme y corrosión localizada. El ataque se extiende más en algunas zonas, pero se presenta aún como un ataque general.

c) Corrosión por picado: Durante el picado, el ataque se localiza en puntos aislados de superficies metálicas pasivas, propagándose hacia el interior del metal en forma de canales cilíndricos. Este tipo de ataque, así como el intergranular y el fisurante, son las formas más peligrosas bajo las cuales se puede presentar la corrosión.

d) Corrosión intergranular: Se presenta como una franja estrecha de ataque que se propaga a lo largo de los límites de grano.

Circuito eléctrico de la corrosión.

En conjunto con la fuente de voltaje debe existir un circuito completo; este consiste en dos partes:

• Ánodo.

Es aquella porción de la superficie del metal que se está corroyendo. Es el lugar donde el metal se disuelve y pasa a la solución; al momento de ocurrir esto es porque los átomos metálicos pierden electrones y pasan a la solución como iones. Los átomos contienen la misma cantidad de protones y electrones y al ocurrir una pérdida de electrones ocurre un exceso de carga positiva lo que resulta un ión positivo.

• Cátodo.

Es la cantidad de superficie metálica que no se disuelve y es el sitio de otra reacción química necesaria para que ocurra el proceso de corrosión. Los electrones que se liberan al dividir el metal en el ánodo viajan hasta la zona catódica en donde se consumen por la reacción de un agente oxidante presente en el agua. El consumo de electrones se llama reacción de reducción.

• Electrolito.

Para que se complete el circuito eléctrico la superficie metálica, tanto como el cátodo como el ánodo, deben estar cubiertas por una solución conductora de electricidad, es decir, de electrolito. El electrolito conduce la corriente del ánodo al cátodo y luego vuelve al ánodo a través del metal, completando el circuito.

La combinación de estos tres componentes es conocido como celdas de corrosión.

Composición del electrolito.

Existen dos aspectos por los cuales la composición del electrolito afecta la corrosión; primero afecta la conductibilidad y segundo el potencial de corrosión básico del sistema, este último se relaciona por la presencia o no de agentes oxidantes en la solución los cuales son importantes para construir la parte catódica de la celda de corrosión.

Afortunadamente tenemos dos agentes oxidante en la mayoría de los problemas, ellos son el ión hidrógeno y el óxido molecular. Las

medidas para combatir la corrosión dependen del sistema que participe en la celda, por lo tanto lo primero que se debe hacer es definir las reacciones catódicas que participan.

Conductividad.

Como ya se ha dicho anteriormente la superficie metálica debe estar cubierta de una solución eléctricamente conductora para conducir corriente eléctrica desde el ánodo al cátodo en la celda de corrosión; entre mejor conductor sea el electrolito más fácil va a fluir la corriente y ocurrirá mayor corrosión. En el caso de electrolitos poco conductores existe una gran resistencia al flujo de corriente minimizándose la reacción de disolución. Es importante recalcar que la cantidad de metal que se disuelve es directamente proporcional a la cantidad de corriente que fluye entre el ánodo y el cátodo.

PH.

La velocidad de corrosión del acero aumenta a medida que disminuye el ph, el cual al ser muy altos suele ser muy corrosivo. La velocidad de corrosión con el ph está influenciada por la composición del electrolito.

Al aumentar la concentración del ión hidrógeno es más ácida la solución y es menor el valor de ph. La magnitud de ph nos indica la intensidad de acidez o alcalinidad del medio. Esta magnitud se indica por medio de una escala la cual la número siete indica que la solución con ph es neutra; los numerosa menores de siete indican que es ácida y los mayores alcalinidad.

Protección contra la corrosión

Dentro de las medidas utilizadas industrialmente para combatir la corrosión están las siguientes:

- Uso de materiales de gran pureza.- Presencia de elementos de adición en aleaciones, ejemplo

aceros inoxidables.- Tratamientos térmicos especiales para homogeneizar

soluciones sólidas, como el alivio de tensiones.- Inhibidores que se adicionan a soluciones corrosivas para

disminuir sus efectos, ejemplo los anticongelantes usados en radiadores de los automóviles.

- Recubrimiento superficial: pinturas, capaz de óxido, recubrimientos metálicos

- Protección catódica.

Ensayos de corrosión.

Se define como ensayo de corrosión a la realización de experimentos de laboratorio, tales que permitan simular ambientes corrosivos extremos, con el fin de establecer estimaciones que permitan determinar la resistencia de los materiales bajo dichas condiciones.

Tipos de ensayos de corrosión.

El ensayo de corrosión suele ser de dos tipos:

1- Pruebas de campo2- Estudios de laboratorio.

Pruebas de campo.

Se disponen de tres métodos logísticamente similares:

-Testigos de corrosión: están fabricados con el mismo material de la estructura o con otro material.

-Sondas de resistencia: opera con el principio de que cuando un alambre delgado o lámina se corroe, su resistencia eléctrica aumenta debido a una disminución del área de la sección transversal.

-Polarización línea: hace uso del hecho que la velocidad de corrosión es inversamente proporcional a la densidad de corriente de polarización.

Otros ensayos de planta son los detectores de espesor capaces de mador el metal que queda en los tubos corroídos. Estos normalmente utilizan transductores ultrasónicos disponibles en el mercado.

Pruebas de laboratorio.

-Pruebas de corrosión por niebla salina: consiste en la atomización a temperatura controlada de una disolución de diversas sales en agua, de las cuales el CIN2 es el más representativo a efectos electrolíticos.

-Prueba de corrosión por atmosfera urbana: consiste en simula la contaminación ambiental existente en los núcleos urbanos, el cual en presencia del oxígeno del aire pasa a SO3, que a su vez en presencia de humedad se ioniza produciendo el ion sulfúrico responsable de la corrosión.

-Prueba de corrosión industrial: es semejante a la atmosfera urbana si bien podemos encontrar la presencia de otro tipo de vapores ácidos derivados del N2, Cl, etc., los cuales configuran la denominada niebla acida.

Clasificación general.

Los ensayos de corrosión se establecen con el fin de obtener resultados cualitativos y/o cuantitativos, y se pueden clasificar, de forma general, en cinco tipos:

1-Ensayos de rutina, para comprobar el logro de un determinado estándar de calidad del metal o del medio corrosivo.

2-Ensayos de comparación de diferentes metales, con el objetivo de seleccionar el más apropiado para un determinado fin, o bien evaluar un metal nuevo, comparándolo con otro cuyo comportamiento en servicio sea ya conocido.

3-Estimación de la vida e un metal en condiciones de servicio dadas. Para este fin se requiere, generalmente, la calibración del ensayo en relación del comportamiento durante la utilización, o la inclusión de ciertas muestras de control cuyo comportamiento ya se conoce.

4-Determinación de los diferentes tipos de medio ambiente y condiciones en las cuales usarse satisfactoriamente un determinado metal.

5-Pruebas para la obtención de nuevas aleaciones que posean una elevada resistencia a la corrosión.

Técnicas de ensayos de corrosión.

Testigos de corrosión.

Los testigos se limpian y pesan antes y después de introducirles en la corriente de flujo. Entonces la pérdida de peso se convierte en la forma aceptable de la velocidad de corrosión por ejemplo, pulgadas por ano o, gramos por pulgada cuadrada.

Sondas de resistencia.

Las sondas de resistencia dan medidas continuas de la resistencia, las cuales pueden convertirse a la velocidad de corrosión a través de un cálculo.

Polarización lineal.

Entre dos muestras metálicas se un voltaje que varía linealmente sobre un intervalo pequeño, normalmente +/- 10mV y una curva potencial-corriente se diferencia y se visualmente en un panel medidor.

Niebla salina.

Los ensayos de corrosión por niebla salina se rigen por una extensa variedad de normas internacionales, entre las que cabe destacarla norma ASTM B-117 la cual es el punto de partida de todas las demás. Se denomina de niebla salina porque en su interior se atomiza una solución salina de ClNa en agua, a temperatura controlada en una proporción aproximada de 35 gr/l, que es la concentración media existente en el agua del mar que rodea la tierra.

Atmosfera urbana.

Los ensayos de atmosfera urbana, también denominados de ensayos Kesternich, se realizan en cámaras de pruebas de laboratorio, según normas DIN 50.018, ISO 3231, ASTM G87, y sus equivalentes. En la cual se produce una condición climática de humedad saturada con condensación a temperatura controlada dosificando cantidades normalizadas de gas sulfuroso.

Corrosión industrial.

Se rige por los mismos parámetros y normas que las mencionadas para la atmosfera urbana, si bien podemos encontrar la presencia de otro tipo de vapores ácidos derivados del nitrógeno y el cloro, tales como los gases nitrosos, clorhídricos, los cuales configuran la denominada niebla acida.

Corrosión en refractarios.

Este trabajo consiste en la simulación de un ensayo de corrosión con un baño fundido estático de arrabio con el 4.5% c. los resultados obtenidos de dicho estudio consta la idoneidad del ensayo propuesto como ensayo de laboratorio, ya que en tiempos muy cortos conseguimos obtener niveles de corrosión muy grandes

y además de trabajar con varias probetas a la vez se puede comparar los resultados de forma rápida.

Velocidad de corrosión.

La corrosión es un fenómeno en que interviene en la reacción anódica y una catódica en el momento en que se produce la corrosión la velocidad de oxidación anódica ha de ser igual a la velocidad de la reducción catódica. Por lo tanto la intersección de las curvas de polarización anódica y catódica nos dará el potencial de corrosión y la densidad de corriente, que será proporcional a la velocidad de corrosión.

Técnicas para la obtención de la velocidad de corrosión.

Técnica por pérdida de peso.

El método utilizado tradicionalmente, es el de medida de la pérdida de peso. Como su nombre indica, este método consiste en determinar la pérdida de peso que ha experimentado en determinado metal o aleación en contacto con un medio corrosivo.

Método gravimétricoPara determinar la velocidad de corrosión por este método hay que someter al material en estudio a un ataque del agente corrosivo durante un periodo de tiempo bastante largo. Una vez finalizado el ataque se determina el cambio de peso que el material experimenta con el fin de obtener la velocidad de corrosión en m.d.d. es decir miligramos de material perdido por día transcurrido y dm2 de área de material expuesto.

Dónde:

V= velocidad de corrosión.mi= masa inicialmf= masa final.p= la densidad del material.A= área de exposición.t= tiempo de exposición.

Técnica de polarización lineal.Esta técnica electroquímica da las velocidades de corrosión en un tiempo aproximado de minuto, sin ampliamente para monitorear la corrosión en plantas de procesos. Se dispone de instrumentos comerciales, algunos de los cuales dan una lectura directa de la velocidad de corrosión en mil/ano o unidades similares.

Curvas de polarización lineal:

Técnica galvánica.La técnica de monitoreo galvánico también conocida como la técnica de amperímetro de resistencia cero o ZRA es de otra técnica electroquímica de médico. Con las probetas ZRA, dos electrodos de diferentes aleaciones o metales son expuestos al fluido del proceso.Cuando son inmersas en la solución, un voltaje natural o diferencial de potencial se presentara entre los electrodos. La corriente generada por este diferencial de potencial reflejada la tasa de corrosión que está ocurriendo en los electros más activo del par.

Prueba de corrosión.Nos enfocaremos a la corrosión galvánica. La corrosión galvánica es un proceso electroquímico en el que un metal se corroe preferentemente cuando está en contacto eléctrico con un tipo diferente de metal (más noble) y ambos metales se encuentran inmersos en un electrolito o medio húmedo. Por el contrario, una reacción galvánica se aprovecha en baterías y pilas para generar una corriente eléctrica de cierto voltaje. Un ejemplo común es la pila de carbono-zinc donde el zinc se corroe preferentemente para producir una corriente. La batería de limón es otro ejemplo sencillo de cómo los metales diferentes reaccionan para producir una corriente eléctrica.Cuando dos o más diferentes tipos de metal entran en contacto en presencia de un electrolito, se forma una celda galvánica porque metales diferentes tienen diferentes potenciales de electrodo o de reducción. El electrolito suministra el medio que hace posible la migración de iones por lo cual los iones metálicos en disolución pueden moverse desde el ánodo al cátodo. Esto lleva a la corrosión del metal anódico (el que tienen menor potencial de reducción) más rápidamente que de otro modo; a la vez, la corrosión del metal catódico (el que tiene mayor potencial de reducción) se retrasa hasta el punto de detenerse. La presencia de electrolitos y un camino conductor entre los dos metales puede causar una corrosión en un metal que, de forma aislada, no se habría oxidado.

En nuestro experimento se colocó en una solución de agua salada una lámina de Zinc y una placa de acero, conectándolas entre sí mediante cables los cuales se conectan a una pila que les suministrara una corriente directa de 1.5 V Ejemplificando el experimento realizado se muestra el siguiente diagrama.

Práctica de protección de corrosión atreves de la Técnica galvánica

El siguiente experimento muestra el proceso de protección galvánica para controlar la corrosión en el acero, convirtiendo la superficie metálica en el cátodo de una celda electroquímica.

En la parte de abajo mostramos la parte de la lámina de Zinc que no se expuso al fluido y la lámina de hierro antes de la oxidación, respectivamente.

Después de a ver transcurrido 4 semanas se muestra la corrosión que presentaron los materiales.

Teniendo eso calculamos la velocidad de corrosión de las dos placas por medio de la técnica de gravimetría utilizando la sig. Formula:

V=m i−m fpAt

Para la lámina de Zinc. Para la placa de hierro

Mi= .1087x10² mgr mi=17.5mgr

Mf=.01009x10² mgr mf=17.96mg

P= .713 mgr. /mm³ p=.787mgr/mm³

Zinc Hierro

Zinc Hierro

A=3600mm² A=1300mm²

T=.083 años T=0.83 años

Aplicando la fórmula para los dos materiales obtenemos:

Para la lámina de zinc

V=0.046286mm/año

Para la placa de hierro

V=−5.4170 x 104mm/año

En este experimento se muestra que la perdida de material en la placa de Zinc y la ganancia de material en la de hierro es porque la corrosión se obtuvo de forma que mientras el Zinc pierde electrones el hierro la gana.

Actualmente, ánodo galvánico o ánodo de sacrificio se realiza en diversas formas con aleación de zinc, magnesio y aluminio. El potencial electroquímico, la capacidad actual, y la tasa de consumo de estas aleaciones son superiores para el aluminio que para el hierro.