Download pdf - Protección catódica total.pdf

Protección Catódica

Protección CatódicaC i t d l t t d t d bi tCasi todas las estructuras de acero enterradas son recubiertas conun recubrimiento protector orgánico, pero esta protección escomplementada con un sistema de protección catódica, quepreviene la corrosión en las imperfecciones del recubrimientopreviene la corrosión en las imperfecciones del recubrimiento.

Protección CatódicaL l t f b i l l bi tLas plataformas submarinas por lo general no son recubiertas peroson protegidas catódicamente. Este tipo de protección generacambios en la química del agua de mar cerca a la estructuraprotegida causando la precipitación de un recubrimiento naturalprotegida, causando la precipitación de un recubrimiento naturalsobre la estructura que reduce la corriente necesaria para laprotección catódica.

PRINCIPIOS DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA

El i l hi i l ió á idEl zinc y el hierro inmersos en una solución ácida se corroenindependientemente en el medio.

Fe Fe2++2e-

2H+ +2e- H2

2H+ + Fe Fe2+ + H

Zn Zn2+ + 2e-

2H+ +2e- H2

2H+ + Zn Zn2+ + H 2H + Fe Fe + H22H + Zn Zn + H2

PRINCIPIOS DE LA PROTECCIÓN CATÓDICAL ió lé t i t l i l hi i l ióLa unión eléctrica entre el zinc y el hierro ocasiona que la corrosióndel Fe disminuya, mientras se incrementa la corrosión del zinc.

Elemento más activo

A esto se le conoce como protección catódica por ánodo de sacrificio

PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO

2e-

(a) 2H+ +2e- H2

(b) 1/2O2 + H2O + 2e- 2OH

Mg Mg2+ + 2e-

La tubería de acero es unida al magnesio (metal más activo). El Mg sei i t l t l t b í d t ié d l Elcorroe y suministra electrones a la tubería de acero protegiéndola. El

ánodo de Mg es destruido progresivamente y es llamado ánodo desacrificio

PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA

2e-2e

(a) 2H+ +2e- H2

(b) 1/2O2 + H2O + 2e- 2OH

H2O 1/2O2 + 2H + + 2e-

No necesariamente activo

2 2

El ánodo y la tubería son conectados a un rectificador eléctrico, el cualsuministra corriente continua al sistema la tubería recibe el exceso desuministra corriente continua al sistema, la tubería recibe el exceso deelectrones protegiéndola. Los ánodos por lo general son hechos demateriales no consumibles.

Principio de la protección catódica desde el diagrama E-pH

Ánodo de sacrificio o corriente impresa

Suministra electrones al hierro

Polariza catódicamente al hierro

El flujo de corriente eléctrica suministrado al Fe por el ánodo desacrificio o por un rectificador le produce una polarización catódica, nc,desplazando el potencial del Fe desde A hasta B (valores más activos).desplazando el potencial del Fe desde A hasta B (valores más activos).Por lo general la nc no lleva al Fe a la zona de inmunidad, debido aque esto ocasionaría que el hierro se transforme totalmente catódico yse produzca una alta evolución el hidrógeno lo cual causaría sufragilización, además de un excesivo consumo de energía.

Principio de la protección catódica desde un diagrama E- Log|i|

Fe-H2O

El hierro bajo estas condiciones se corroe con una velocidad de 10-4

A/ 2 1 2 / ñ t i d i l h d ¼ lA/cm2 ≈ 1.2 mm/año, esto quiere decir, que una plancha de ¼ pulg secorroerá en 5.4 años.


Fe-H2ONo existe una

La reacción del H2 ocurre sobre la

200 mV

protección total del Fe, pero si suficiente para

condiciones

ocurre sobre la superficie del Fe

200 mVprácticas

Si aplicamos una polarización catódica de 200 mV, el hierro secorroerá con una velocidad de 10-6 A/cm2 ≈ 0.012 mm/año, esto quieredecir que una plancha de ¼ pulg se corroerá en 543 añosdecir, que una plancha de ¼ pulg se corroerá en 543 años.


Fe-H2O Protección total del Fe: problemas de

fragilización por H

400 mV

fragilización por H2

400 mV

consumo elevado de energíaconsumo elevado de energía

CRITERIOS PARA LA PROTECCIÓN CATÓDICA

1. CRITERIO DE POTENCIAL¿Qué valor de potencial de electrodo debería ser impuesto sobre una estructura metálicaenterrada para producir una disminución considerable en su velocidad de corrosión?

La protección del acero bajo protección catódica se estima haberLa protección del acero bajo protección catódica se estima haberalcanzado el nivel adecuado cuando las lecturas del potencialestructura/suelo medidos con las diferentes electrodos de referenciaconsiguen los siguientes valores:

ELECTRODO LECTURA

Ag AgCl 0 800VAg-AgCl -0.800V

Cu-SO4Cu -0.850V

Zn puro +0.25V

El valor de -0.85V (ECSCS) fue propuesto para la protección del hierro por B.J.Kuhn en 1933, basado en experimentos de campo. No obstante que es observadofrecuentemente una corrosión residual a este potencial, su valor ha ganado unaamplia aceptación.


1. CRITERIO DE POTENCIAL

Medición del potencial de unaMedición del potencial de unaestructura enterrada







Fe-H2ODependiendo [Fe2+] en elmedio, el potencial de –0.85 V( CSCS)

Fe H2O

(ECSCS) aplicado al acero lomantendría en la región decorrosión o lo llevaría a laregión de inmunidadregión de inmunidad.Sin embargo, la concentraciónde [Fe2+] en el medio en elcual se encuentra el acero acual se encuentra el acero aproteger, es muy pequeña (se asume del orden de 10-6 M). En este casoel potencial del acero (Fe) es alrededor de -0.93 V (ECSCS). Unpotencial de protección de –0 85 V (ECSCS) lo mantendría al acero enpotencial de protección de –0.85 V (ECSCS) lo mantendría al acero enla zona de corrosión, pero una protección adecuada.



La efectividad del criterio de un potencial de -0.85 V (ECSCS) como método deprotección para el acero, dependerá del comportamiento de la pendiente de Tafelanódica del hierro [βa].[β ]

Considerando como criterio deprotección Vcorr=10-6 A/cm2 :

Para una βa=50 mV, seobtendría con una polarizaciónde 100mV.

Mientras que para una βa=150mV, se obtendría con unapolarización de 300 mVpolarización de 300 mV.

Sin embargo, valores reales para βa son dificultosos de obtener debido a que enla práctica los datos no son muy reproducibles.


2. CRITERIO DE CAMBIO DE POTENCIAL

La protección del acero bajo protección catódica se estima haberalcanzado el nivel adecuado cuando se realiza un cambio de potencialnegativo de al menos 300 mV. (respecto al valor en circuito abierto)negativo de al menos 300 mV. (respecto al valor en circuito abierto)

Para el hierro inmerso en una solución H2SO4, se ha observado unEcorr = –570 mV (ECSCS) Un cambio de 300 mV daría –870 mVEcorr = –570 mV (ECSCS). Un cambio de 300 mV daría –870 mV(ECSCS), que es aproximado al criterio de –850 mV (ECSCS).

Sin embargo, el cambio de potencial mide:ΔE = ηcatódica + I.Rs

La caída de voltaje IR podría variar significativamente de un caso aotro (suelo → agua de mar), permitiendo diferentes niveles depolarización de protección para el mismo valor de cambio depotencial.


CRITERIO DE POTENCIAL vs CAMBIO DE POTENCIAL

Asumiendo para los trescasos:• Una curva catódica similar.Una curva catódica similar.• Una caída IR despreciable.• Un Vcorr = 10-6 A/cm2 para

una protección satisfactoria.

La protección es obtenida:Caso 1: ƞ1= -200 mV Eprot: -400 mV (ESH) ó Eprot: -716 mV (ECSCS)

“Criterio de potencial”

ƞ1 prot ( ) prot ( )Caso 2: ƞ2= -300 mV Eprot: -400 mV (ESH) ó Eprot: -716 mV (ECSCS)Caso 3: ƞ3= -350 mV Eprot: -650 mV (ESH) ó Eprot: -966 mV (ECSCs).


3. CRITERIO DE RUPTURA POTENCIAL

Algunos investigadores mantienen que el punto de ruptura entre losdos dominios de polarización (anódica y catódica) representa lacondición de velocidad de corrosión despreciable.condición de velocidad de corrosión despreciable.

inet = ⏐ic⏐– ia.

inet = ⏐ic⏐

ia (es depreciable)

Este criterio es más difícil de usar debido a la dificultad de obtener una región de Tafellineal bien definida en la curva de polarización experimentales en campo (suelo).

Magnitud de la densidad de corriente protectora

i = f (conductividad del medio acidez conc O )iap= f (conductividad del medio, acidez, conc. O2)Suelo de alta conductividad (baja resistividad) requieren mayor iaprespecto a otro de baja conductividad (alta resistividad).

Considerando una misma curvaanódica para el Fe:• Un suelo ácido de altaconductividad requerirá mayor iaprespecto a un suelo de alto pH,para un potencial de protección -0.85 V (ECSCS).• Para un bajo pH, el potencialde corrosión es más noble, ydebe ser impuesta una mayorpolarización ηL

Magnitud de la densidad de corriente protectora

i = f (conductividad del medio acidez conc O )iap= f (conductividad del medio, acidez, conc. O2)Tanto las condiciones del suelo, como las de un electrolito acuosopuede cambiar con el tiempo. En el caso de agua de mar, el contenidoO puede variar con el tiempo y lugarO2 puede variar con el tiempo y lugar.

Considerando una mismaódi l Fcurva anódica para el Fe, en

un proceso controlado pordifusión:

U i t l O• Un incremento en el O2disuelto produce un mayor iL,y requerirá mayor iaprespecto a un medio de bajorespecto a un medio de bajoO2, para un potencial deprotección -0.85 V (ECSCS).

Clasificación de Ohm.cm Corrosividad anticipada

Tabla 7.1. Corrosividad de suelos

suelosp

Resistividad bajaResistividad media

0 – 20002000 – 10000

SeveraAlta

Resistividad altaResistividad muy alta

10000 – 20000sobre 20000

ModeradaBaja


(a) 2H+ +2e- H2

(b) 1/2O2 + H2O + 2e- 2OH

Mg Mg2+ + 2e-


V t j

1. Fácil de instalar;

Ventajas

2. No requieren de fuente de C.C. ni regulador de voltaje;

3 V lt j d li ió fij3. Voltaje de aplicación fijo;4. La interferencia con estructuras enterradas es

prácticamente nula;prácticamente nula; 5. Bajo costo de mantenimiento;6. Distribución de corriente uniforme;7. Útil en medios de baja resistividad o alta conductividad;8. Se puede aumentar el número de ánodos con el

i t iósistema en operación.


1. Corriente suministrada es limitada y aplicable en casos

Limitaciones

y pde requerimiento de corriente pequeña, económicohasta 5 amperios;

2 Sól l tili h t l lí it d i ti id d2. Sólo se los utiliza hasta un valor límite de resistividadeléctrica hasta 5000 ohm-cm (es decir, para suelos dealta conductividad);

3. Alto consumo de ánodos para estructuras enteradasmal revestidas y sin revestimiento en agua de mar.

4 L á d d i t l t t l4. Los ánodos pueden incrementar el peso estructural.


Las características importantes de un ánodo desacrificio:1. Debe tener un potencial de disolución lo

suficientemente negativo, para polarizar lat t d 0 85 V (ECSCS)estructura de acero a -0.85 V (ECSCS);

2. El potencial práctico de disolución puede estarcomprendido entre -0.95 a -1.7 V (ECSCS);comprendido entre 0.95 a 1.7 V (ECSCS);

3. Corriente suficientemente elevada, por unidad depeso de material consumido;

4. Buen comportamiento de polarización anódica através del tiempo;

5 Bajo costo5. Bajo costo.


Ánodos de magnesio1. Alto potencial con respecto al hierro y están libres de pasivación;

2. Para estructuras enterradas (oleoductos, pozos, etc.) son i i d d b i d lsuministrados con un mortero de bentonita en un saco de tela

permeable lo que asegura un buen medio conductor y su corrosión sea eficiente;

3. Se utilizan en estructuras enterradas en suelo de baja resistividad hasta 3000 ohmio-cm.


Ánodos de magnesio

Composición comercial típica de los ánodos de magnesio


Ánodos de aluminio1. Preferidos para la protección plataformas marinas;2. Mayor período de duración comparado con el magnesio;3 Presenta mejores características corriente/peso que el zinc;3. Presenta mejores características corriente/peso que el zinc;4. En agua de mar el Cl- despasiva aleaciones de aluminio (Hg, Sb, In,

Sn) y permite a ellos actuar realmente como un material anódico;5. (Desventaja) resistente a la corrosión en agua dulce.


Ánodos de aluminio

Composición comercial típica de ánodos de aluminio


Ánodos de zinc

1. Usados en los cascos de barcos, no se pasiva en aguadulce de algunos puertos;

2 También es usado en intercambiadores de calor uniones2. También es usado en intercambiadores de calor, unionesde tuberías en agua mar (compensar su flotabilidad con elpeso del zinc).


Ánodos de zincComposición comercial típica de ánodos de zinc (aleación Zn-Al-Cd)


Los tipos de ánodos (Mg Al y Zn) no presentan la misma actividad yLos tipos de ánodos (Mg, Al y Zn), no presentan la misma actividad, ysus potenciales respecto al ECSC, son diferentes, proporcionando unadistinta diferencia de potencial de celda con respecto a la estructura deacero a proteger.p g

El magnesio usado como ánodo de sacrificio provee +0 70V deEl magnesio usado como ánodo de sacrificio provee +0.70V defuerza para imponer espontáneamente una corriente protector (tienela fuerza electromotriz más grande)


Contenido de energía y eficiencia de un ánodog yMetal de sacrificio

Contenido teórico de

energía (Ah/kg)

Eficiencia anódica

Contenido práctico de

energía (Ah/kg)

Potencial de trabajo

(V) [ECSCS]

Relleno

Zinc 820 90% 738 -1 10 50%yeso; 50%BentonitaZincAluminioMagnesio

82029792206

90%75%50%

73822351103

-1.10-1.10

-1.45 a -1.70

50%yeso; 50%Bentonita

75%Yeso; 20%Bentonita; 5%Na2SO4

kil id i i t i t d i ñkilogramos requeridos para suministrar una corriente de un amperio por un año


VIDA ÚTIL DE UN ÁNODOUn kg de Zn suministra 1 Amperio por 737.6 horas. Por lo tanto, un Kg de Zn proporciona 84.2 mA por año.

Vida útil de un ánodo de zinc

Peso del ánodo de Zn (kg).

Intensidad (mA) de protecciónIntensidad (mA) de protección

Como medida de seguridad a estos cálculos deberíaid f t d 0 75considerarse un factor de 0.75

DIAGRAMA E – LOG |I| EN LA PROTECCIÓN CON ÁNODO DE SACRIFICIO

El ánodo de zinc en contacto con la estructura de acero se polarizaanódicamente y espontáneamente suministra un flujo protector de electronesal acero. El potencial del ánodo de trabajo del zinc Ew

zn es más noble que supotencial de corrosión Ecorr.

HZ 2Hc

Zna

neta iii −=

La eficiencia del Zn es del 90% lo cual indica que el 90% de e- liberadosLa eficiencia del Zn es del 90%, lo cual indica que el 90% de e- liberadospor la oxidación del zinc protegen la estructura metálica, y el otro 10%son consumidos en la reducción del H2 sobre el zinc.

DIAGRAMA E – LOG |I| EN LA PROTECCIÓN CON ÁNODO DE SACRIFICIO

El Fe se polariza catódicamente hasta su potencial de protección EprotFe,El Fe se polariza catódicamente hasta su potencial de protección Eprot ,

donde iaFe es despreciable respecto a reducción de H2 sobre el hierro icH2.

)Fe(Hc)Zn(

Hc

Zna

neta

22 iiii =−=

IR es la caída de voltaje debido a la resistencia eléctrica del sistemaIR es la caída de voltaje debido a la resistencia eléctrica del sistema(suelo) para el flujo de electrones.


Una condición fundamental en las estructuras a proteger por protecciónUna condición fundamental en las estructuras a proteger por proteccióncatódica, es que la estructura y el elemento de sacrificio, debenmantenerse en contacto eléctrico e inmerso en un mismo electrolito.

Dicho de otra manera, la protección catódica de una superficie metálicaes efectiva sólo si una corriente eléctrica catódica cruce la interfasemetal – electrolito.


2e-

No necesariamente activo

(a) 2H+ +2e- H2H2O 1/2O2 + 2H + + 2e-

(b) 1/2O2 + H2O + 2e- 2OH


Ventajas

1. Puede diseñarse para un amplio intervalo de potenciali t

Ventajas

y corriente;2. Un ánodo puede suministrar puede suministrar una

gran corriente;gran corriente;3. Con una sola instalación se pueden proteger

superficies muy grandes;4. Potencial y corriente variable;5. Puede utilizarse en ambientes de alta resistividad;6 Efi t t t bi t l6. Eficaz para proteger estructuras no recubiertas o mal

recubiertas.


Limitaciones

1. Alto peligro de causar problemas de interferencia;

Limitaciones

2. Requiere de inspección periódica y de mantenimiento;3. Requiere de fuente de corriente continua;4 Alt ibilid d d di i d b t ió4. Alta posibilidad de condiciones de sobreprotección con

daños a recubrimientos y problemas de fragilizaciónpor hidrógeno.

5. Conexiones y cables sujetos a rotura;6. Tiene un costo elevado.




Este tipo de sistemas debe ser proyectado con cuidado parabl d i t áti ( á it ) lno causar problemas de corrientes erráticas (parásitas), las

cuales pueden provocar la corrosión de estructuras vecinas



PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESACorriente alterna Corriente alterna

Alimentación primaria: 110 ó 220 V

Transformador monofásico

Corriente alternaCorriente alterna Alimentación salida

según necesidad

Rectificador monofásico

Control del potencial y intensidad de protección

Esquema de un transformador rectificador monofásico
