Corrosión Y Protección Catódica

Definición:

• Puede definirse como la reacción química o electroquímica de un metal o aleación con su medio circundante con el consiguiente deterioro de sus propiedades.

• Para los materiales no metálicos (polímeros, cerámicos, etc.) se habla en general de degradación.

Clasificación y características de los distintos procesos de corrosión

• Por la morfología del ataque:

a) Corrosión uniforme, homogénea o generalizada:

El ataque se extiende, de forma homogénea

sobre toda la superficie metálica, y por lo tanto,

la penetración media es aproximadamente la

misma en todos los puntos.

b) Corrosión en placas o selectiva:

• El ataque no se distribuye de forma homogénea, localizándose, por el contrario, en determinados zonas de la superficie metálica.

• El ataque en placas puede considerarse como un caso intermedio entre la corrosión uniforme y la corrosión por picadura.

c) Corrosión por picaduras:

• El ataque se localiza en zonas aisladas de la superficie y se propaga hacia el interior del metal formando pequeños túneles que avanzan con bastante velocidad.

• Aunque esta forma de ataque se favorece cuando aparecen heterogeneidades superficiales, en general el fenómeno se da preferentemente en materiales metálicos pasivables.

d) Corrosión en resquicio:

• Se presenta en uniones, intersecciones, zonas de solape y en general en aquellas regiones mal aireadas (pobres en oxígeno) o en las cuales la renovación del medio corrosivo esta condicionada por mecanismos de difusión.

• La formación de productos sólidos de corrosión dificulta con el tiempo, aún más, el acceso de oxígeno y contribuye a favorecer el fenómeno.

e) Corrosión intergranular:

• Se habla de corrosión intergranular cuando el ataque se localiza en los límites de grano del material metálico.

• Como consecuencia de ello se pierde la coherencia entre granos y el material reduce significativamente los valores de sus características mecánicas habituales.

f) Corrosión bajo tensión:

• Se conoce también corrosión fisurante y se da cuando la aleación, esta sometida a tensión mecánica de tracción.

• Se caracteriza por la aparición de grietas o fisuras que avanzan en la dirección normal a la aplicación de la tensión.

•Según el mecanismo:

a) Corrosión electroquímica:La corrosión se debe a la actuación de pilas electroquímicas, en las que el metal sufre disolución en las regiones anódicas.El proceso por tanto no afecta por igual a toda la superficie metálica, pues en las regiones catódicas no hay ataque.

• Se da en presencia de electrolito.• Temperaturas moderadas (100-150 C aprox.) ̊�• Se localiza en regiones de comportamiento

anódico.• Circulación de electrones desde el ánodo

hasta el cátodo, a través del propio metal.• El circuito se cierra a través del electrolito

mediante transporte de carga por parte de iones.

• Producto primario: hidróxidos (en el electrolito)

b) Corrosión directa:

• Se da fundamentalmente cuando el material metálico opera a alta temperatura y por tanto no existe la posibilidad de que aparezca una película de humedad sobre la superficie metálica.

• Este mecanismo es característico de materiales metálicos expuestos a gases y vapores calientes.

• Se da en ausencia de electrolito.• Se trata de procesos de corrosión

generalizados.• Temperaturas altas.• Circulación de electrones a través de película

de óxido.• Circulación de iones también a través de

película de óxido.• Productos de corrosión: óxidos “in situ”.

Corrosión Electroquímica

EQUIVALENCIA ENTRE UN METAL QUE SUFRE CORROSIÓN Y UNA PILA EN CORTOCIRCUITO

• Equivale a lo que ocurre cuando se unen una barra de cinc y otra de cobre y se introducen en una solución electrolítica que contenga iones de Cu2+ y Zn2+. El cinc se disuelve y el cobre se deposita. De forma semejante, si por ejemplo el hierro se une con algún otro metal y se coloca en una disolución electrolítica, el que se disuelva o no dependerá de si su potencial de reducción en equilibrio es más positivo o más negativo que el otro metal.

REACCIÓN CATÓDICA

• reacción del tipo A + ne = D

•En disoluciones ácidas 2 H3O+ + 2e- → 2 H2O + H2

•En disoluciones neutras o alcalinasO2 + 2 H2O + 4 e- → 4OH-

Si son posibles varias reacciones de electronización, es decir, si sus potenciales de equilibrio de disociación del metal, por lo general, se adopta preferentemente la que es causa de la máxima corriente de corrosión, es decir, se reduce el oxidante más fuerte, aunque pueda tener lugar la electronización simultanea de varios.

MECANISMO DE CORROSION EN LOS METALES ULTRAPUROS

• Teoría homogénea de la corrosión de Wagner-Traud, 1938.

•

↔ La reacción de disolución del metal y alguna reacción de electronización se desarrollen

simultáneamente en la interfase metal-ambiente.

La diferencia de potencial a través de la interfase de reacción sólido-líquido sea superior a la diferencia entre los potenciales para la reacción de la electronización y

deselectronización en la fuente y sumidero de electrones, respectivamente.

a) Por un mecanismo heterogéneo si aparecen en su superficie zonas con diferentes propiedades electrolíticas.

b) Por un mecanismo homogéneo si la superficie fuera homogénea desde el punto de vista electroquímico.

ASPECTOS TERMODINAMICOS DE LA CORROSION ELECTROQUIMICA

• Las diferencias de potencial electroquímico son el origen de que unas regiones actúen anódicamente frente a otras que lo hacen catódicamente. El conocimiento del potencial de electrodo es, por tanto, de la mayor importancia para interpretar los mecanismos de corrosión electroquímica.

MEDIDA DE POTENCIALES:

• Las dificultades operatorias con un electrodo de gas de hidrógeno han motivado el desarrollo de otros electrodos patrones o de referencia más prácticos y versátiles que cumplan la condición de mantener su potencial fijo respecto al de hidrógeno.

1. ELECTRODO DE CALOMELANOS

• Este electrodo está formado por mercurio cubierto por una capa de cloruro insoluble (calomelanos), Hg2Cl2 en equilibrio con una disolución de cloruro potásico, KCl, que puede ser 0.1 N, 1 N o saturada.

2) ELECTRODO DE PLATA/CLORURO DE PLATA (AG/AGCL):

• Está formado por un hilo de Ag sobre el cual se deposita AgCl, generalmente por vía electroquímica, en una solución de NaCl o KCl, en la cual el hilo de Ag actúa como ánodo, como se muestra en la figura

3) ELECTRODO DE ZINC (ZN):

• Está constituido por un bloque de Zn de alta pureza; generalmente se utiliza una aleación de Zn como la empleada para los ánodos galvánicos de Zn de composición como la especificada por la norma militar americana: MIL-A-18001 H

• Se emplea como electrodo de referencia fijo en agua de mar, como alternativa a los de Ag/ AgCl. También puede utilizarse en el suelo. Un esquema del mismo se presenta en la siguiente figura:

4) ELECTRODO DE COBRE/SULFATO DE COBRE (CU/CUSO4):

• Está formado por una barra cilíndrica de Cu sumergida en una solución de CuSO4 saturada. El contacto electrolítico con la solución o suelo se realiza mediante un puente salino constituido (formado) por un tapón de madera de balsa. En la figura se ilustra este tipo de electrodo.

PROTECCION CATODICA

METAL QUE SE QUIERE PROTEGER

POTE

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METAL ANODICO ALEACION

DE Mg

CORR

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FUENTE DE ENERGIA

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MECANISMO DE PROTECCION CATODICA

-Aprovecha el mismo principio de la corrosión, transportando un gran cátodo a una estructura metálica.

-Esta protección busca eliminar todas las áreas anódicas de el metal que se quiera proteger, utilizando fuentes de energía externa

-Al rebajarle el potencial de un metal por debajo del Ecorr se consigue la protección de este metal frente a la corrosión

La corriente sale del cátodo y va al ánodo y por el interior del electrolito sale corriente por el ánodo y entra la cátodo. En las zonas por la que sale la corriente, ánodo, se produce corrosión y las zonas en las que penetra corriente desde el electrolito al metal, cátodos, están protegidas .La protección catódica consiste en convertir en cátodo toda la superficie metálica, consiguiendo que por ella penetre corriente en vez de salir

PROTECCION CATODICA

TIPOS

P.C. POR CORRIENTE

IMPRESA

P.C. POR ANODOS DE SACRIFICIO

PROTECCION CATODICA POR CORRIENTE IMPRESAEste procedimiento consiste en unir eléctricamente la estructura que se trata de proteger con el polo negativo de una fuente de alimentación de corriente continua (pura o rectificada) y el positivo con un electrodo auxiliar que cierra el circuito

a) Un ánodo dispersor,

b) una fuente de corriente continua y

c) c) el cable portador de la corriente.

En la figura se presenta un esquema de la protección de una tubería enterrada en el suelo.

FUENTE DE CORRIENTE

DINAMO DE MOTOR

RECTIFICADOR

Los aparatos que permiten el paso de la corriente en un solo sentido se conocen con el nombre de rectificadores. Estos aparatos se alimentan con corriente alterna.

Permite la protección catódica en donde no existe posibilidad de suministrar energía eléctrica, como en el caso de los desiertos o zonas selváticas

ANODOS AUXILIARES

A.A NO CONSUMIBLES

A. A. CONSUMIBLES

1. Chatarra de hierroPor ser lo más económico, la chatarra de hierro es utilizada con frecuencia como ánodo auxiliar.Puede ser aconsejable la utilización de este tipo de ánodos en terrenos de resistividad elevada

1. Ferro silicio•recomendable en terrenos de media y baja resistividad•su vida es prácticamente ilimitada2. Grafito3. Titanio platinado•es un ánodo especialmente indicado para instalaciones en agua de mar, aunque también es perfectamente utilizable en aguas dulces o incluso en suelos.

VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA CON CORRIENTE IMPRESA.

PROTECCIÓN CATÓDICA CON ÁNODOS DE SACRIFICIOSi encontramos un metal cuyo potencial sea más electronegativo que el potencial de las zonas anódicas de la superficie metálica que queremos proteger y lo unimos a ella, formamos una pila, en la que la nueva zona anódica sea el metal por nosotros elegido y en el que se produzca la corrosión.De esta forma hemos creado una pila galvánica cuya zona anódica (zona de corrosión) es la elegida previamente, mientras que el resto de superficie forma la zona catódica que permanece inalterable o protegida. Al corroerse el metal elegido, se va deteriorando o sacrificando en beneficio de la estructura a proteger (ánodo de sacrificio).

PROPIEDADES DE UN MATERIAL ANÓDICO

Debe tener un potencial de disolución lo suficientemente negativo como para polarizar la estructura de acero

Cuando el metal actúe como ánodo debe presentar una tendencia pequeña a la polarización

El metal debe tener un elevado rendimiento eléctrico

En su proceso de disolución anódica, la corrosión deberá ser uniforme

El metal debe ser de fácil adquisición

El metal deberá tener un costo razonable

ALEACIONES DE ANODOS

ALUMINIO

MAGNESIO

ZINC

VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LA PROTECCIÓN CON ÁNODOS GALVÁNICOS

APLICACIONES

CORROSIÓN GENERALIZADA• CASO I : • Equipo: Soportes de acero al carbono de una plataforma de

perforación OFF-Shore.• Fenómeno: Corrosión generalizada.• Medio Ambiente: Agua de mar natural.• Condiciones:• -Especies mayores: Agua de Mar.• - Temperatura ambiente.• - Aireación natural.• Tiempo de Falla: 4 años• Solución: Recubrimiento orgánico de alto espesor,

combinado con protección catódica.

• CASO II:• Equipo: Tubería de acero de 12” de diámetro, enterrada, para conducción de diesel

caliente.• Fenómeno: Corrosión generalizada.• Medio Ambiente: Suelo alcalino.• Condiciones: • -Especies mayores: suelo• -Especies menores: humedad, oxígeno y álcalis.• -Temperatura de trabajo: 80° C.• Tiempo de falla: 4 años. • Examen visual:• Corrosión externa del tubo de acero a causa del suelo, hasta el punto de

perforarlo.• Comentario:• El tubo ha sido recubierto con una cinta de polietileno como protección contra la

corrosión por el suelo. Cuando el recubrimiento de polietileno se ha deteriorado por el excesivo calor, se ha inducido corrosión severa por el suelo alcalino a un máximo de 100 mpy.

•

• CASO III:• Equipo: Tanque cisterna de acero al carbono, enterrado.• Fenómeno: Corrosión generalizada y localizado.• Medio Ambiente: Suelo alcalino.• Condiciones: • -Especies mayores: suelo• -Especies menores: humedad, oxígeno y álcalis.• -Temperatura de trabajo: Ambiente.• -Aireación: natural • Examen visual:• Corrosión externa del tubo de acero a causa del suelo, hasta el punto de provocar

perforaciones localizadas de hasta un 60% del espesor de pared, en un área equivalente a un 30% de la superficie total del tanque.

• Comentario:• El tanque ha sido recubierto con dos capas de un recubrimiento asfaltico reforzado con fibra

de vidrio como protección contra la corrosión por el suelo: además luego de 8 años de puesta en servicio se instaló un sistema de protección catódica. Cuando el recubrimiento asfáltico se ha deteriorado, aún con el sistema de protección catódica probablemente con un inadecuado nivel de corriente, se ha inducido corrosión severa por el suelo. Una inspección oportuna ha evitado una rotura en algún punto de la pared del tanque.

• Remedio: • Uso de recubrimientos más resistentes, como es el caso de resinas plásticas de vinil- éster o

poliéster, reforzadas con fibra de vidrio y en paralelo controlar mejor el sistema de protección catódica.

•

PROTECCIÓN DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO SUBTERRANEO DE LA CORROSIÓN:

Los ánodos de sacrificio se pueden conectar a un tanque de almacenamiento subterráneo recubiertos de acero para protección contra la corrosión. Los ánodos de sacrificio son piezas de metal eléctricamente más activa que la de acero que el tanque de almacenamiento subterráneo. Debido a que estos ánodos son más activos, el corrosivo corriente de salida de ellos en lugar del tanque de almacenamiento subterráneo. Por lo tanto, el tanque de almacenamiento subterráneo está protegido mientras se sacrifica el ánodo adjunto. Un sistema de corriente impresa utiliza un rectificador para convertir la corriente alterna a corriente directa. Esta corriente es enviada a través de un cable aislado de los ánodos, que son barras de metal especial enterrados en el suelo cerca del tanque de almacenamiento subterráneo. La corriente fluye a través del suelo para el sistema y vuelve al rectificador a través de un cable aislado adjunto al tanque de almacenamiento subterráneo

Los ánodos de sacrificio se pueden conectar a un tanque de almacenamiento subterráneo recubiertos de acero para protección contra la corrosión. Los ánodos de sacrificio son piezas de metal eléctricamente más activa que la de acero que el tanque de almacenamiento subterráneo. Debido a que estos ánodos son más activos, el corrosivo corriente de salida de ellos en lugar del tanque de almacenamiento subterráneo. Por lo tanto, el tanque de almacenamiento subterráneo está protegido mientras se sacrifica el ánodo adjunto. Un sistema de corriente impresa utiliza un rectificador para convertir la corriente alterna a corriente directa. Esta corriente es enviada a través de un cable aislado de los ánodos, que son barras de metal especial enterrados en el suelo cerca del tanque de almacenamiento subterráneo. La corriente fluye a través del suelo para el sistema y vuelve al rectificador a través de un cable aislado adjunto al tanque de almacenamiento subterráneo

SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA DE TUBERÍAS METÁLICAS ENTERRADAS

En el sistema de protección denominado de "ánodos de sacrificio" el metal que se quiere proteger se conecta a otro más electronegativo, formando una pila, consiguiendo, con el sacrificio del metal añadido, salvar el metal de la tubería. Como electrodos de sacrificio se emplean el magnesio o algunas de sus aleaciones, el cinc y el aluminio, que se colocan en bloques. Estos bloques van enterrados en un medio regulador que asegure la despolarización del sistema, disminuyendo así la resistencia interior del mismo.

DISEÑO DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON ÁNODOS DESACRIFICIO TIPO BRAZALETE EN TUBERÍAS SUBMARINAS

• El agua de mar es un medio muy agresivo que propicia rápidamente el fenómeno de Corrosión, pero al mismo tiempo es un buen electrolito, lo cual facilita el transporte de iones y eleva la eficiencia de la protección catódica. El agua de mar tiene resistividad constante y uniforme por su composición.

• Los casos que se recomiendan para diseñar la protección catódica con ánodos de sacrificio tipo brazalete en tuberías submarinas están basados en los datos siguientes:

• 1. Área que pretende proteger. El área de las estructuras se encuentran en un medio marino• 2. Densidad de corriente necesaria. En el Golfo de México se han tomado varias pruebas en

las cuales se dan datos de 5 a 12 mili amperes/ metro cuadrado (ma/m2), se tienen tablas para él calculo de esta densidad de corriente.

• Estas densidades corriente alcanzan un potencial de protección de 0.85 volts. Medidas en la estructura con respecto al electrolito y referidas a una celda de plata/cloruro de plata.

• Actualmente en tuberías submarinas con recubrimiento nuevo y para efectos de cálculo se considera en el Golfo de Campeche una densidad de corriente que varía de 5 miliamperes/0.0929 m2, y un porcentaje de área desnuda de 5 %.

• • 3. Tiempo que se estima proteger la estructura. tiempo de protección igual al tiempo mismo

de vida útil de la estructura o del yacimiento del• hidrocarburo ya que económicamente resulta mejor la instalación total en un principio que

rehabilitar la estructura en un momento dado.• La duración calculada en el diseño de este tipo de protección es de 20 años• 4. Peso y duración del ánodo• Los errores de cálculo en el espaciamiento de la instalación del ánodo, provoca áreas

sobreprotegidas y áreas desprotegidas. La primera provoca un aumento de consumo de los ánodos con pérdida de electricidad, mientras que la segunda provoca degradación en la tubería.

PROTECCIÓN CATÓDICA EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO

Materiales de los ánodos1. Ánodos inertes para corriente impresa.Los ánodos inertes más comúnmente utilizados en los sistemas de protección catódica por corriente impresa son:a) Ánodo de grafito

El grafito es el material más empleado para la instalación de dispositivos anódicos en tierra, por su gran conductividad y bajo consumo en la mayoría de los suelos.Uso: en todo tipo de suelo

b) Ánodo de acero al alto silicioEste tipo de ánodos son más conocidos como de “Ferro-silicio” y se producenen dos aleaciones de acero al alto silicio cuyas características son:b.1. Ánodo de acero al alto silicio (ferrosilicio).

Uso: Terreno de baja resistividad .b.2. Ánodo de acero al alto silicio y cromo.

Se fabrican en forma cilíndrica tanto sólidos como tubulares.Uso: en condiciones de muy baja resistividad y agua salada.

c) Ánodo de mezcla de óxidos metálicos.Estos ánodos son fabricados de un sustrato de titanio el cual es recubierto con un catalizador de mezcla de óxidos metálicos. Debido a que el sustrato de titanio es protegido en forma natural por una capa oxidante, el ánodo conserva sus dimensiones durante el tiempo de vida del sistema. La conducción de la corriente se lleva a cabo a través del catalizador de mezcla de óxidos metálicos, el cual es altamente conductivo y totalmente oxidante por lo que se pueden lograr corrientes de alta intensidad.

d) Ánodo platinizado.El platino siendo un buen conductor presenta un consumo prácticamente nulo a cualquier densidad de corriente. Pero debido a su alto costo su uso es muy restringido.Uso: en forma de recubrimiento sobre otro metal base como la plata o el titanio.

2. Ánodos galvánicos (de sacrificio)Este tipo de ánodos sirven esencialmente como fuente de energía, donde no es posible obtener

energía eléctrica con facilidad o en las que no es conveniente o económico instalar líneas de energía para este propósito, los materiales que mas se utilizan como ánodos galvánicos son el

magnesio, el aluminio y el zinc.

a) Ánodo de magnesio

Se fabrican en diversos pesos y medidas incluyendo cintas y barras, considerando el criterio del diseñador. El magnesio es el material mas utilizado como ánodo galvánico. Uso: principalmente para proteger estructuras enterradas, tanques, condensadores, ductos, entre otros.

b) Ánodo de aluminio.Se fabrican en diversos pesos y medidas.Uso: para proteger estructuras sumergidas que operan con altas temperaturas en plataformas marinas.

c) Ánodo de zinc.Este tipo de ánodos se fabrican con zinc de alta pureza (99.99%) en diversos pesos y medidas con alma de tubo, varilla o patín de solera galvanizada para su instalación.Usos: en forma de brazalete para proteger estructuras sumergidas, tuberías deacero desnudas en suelos de baja resistividad, cascos de barcos, entre otros.

INGENIERÍA AMBIENTAL

• Integrantes:• Castillo Vergara, Benson• Muñoz Chicoma, Milagros• Purisaca Murillo, Sarah• Sánchez Plasencia, Karla• Tafur Ushiñahua, Joysy