246_proteccion catodica con anodos de sacrificio para plataformas marinas

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO.

PROTECCIN CATDICA CON NODOS DE SACRIFICIO PARA PLATAFORMAS MARINAS.

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

I N G E N I E R O C I V I L

PRESENTA: RAYO AGUILAR MARIO ORLANDO

Mxico D.F. Abril 2006

I n g e n ie r a C iv i l

Pgina 2 de 96

INDICE

OBJETIVO.........................................................................................................................................3 JUSTIFICACIN................................................................................................................................3

CAPITULO I FUNDAMENTOS BSICOS SOBRE CORROSIN. ..............................................3 I.1. ASPECTOS GENERALES DE LA CORROSIN. ..........................................................3 I.2. FORMAS DE LA CORROSIN......................................................................................3 I.3. CORROSIN GALVANICA Y UNIFORME.....................................................................3 I.4. CORROSIN POR EROSIN .......................................................................................3 I.5. CORROSIN POR AGRIETAMIENTO ..........................................................................3 I.6. CORROSIN POR PICADURA .....................................................................................3 I.7. CORROSIN POR EXFOLIACIN Y DISOLUCION SELECTIVA .................................3 I.8. CORROSIN INTERGRANULAR O INTERCRISTALINA..............................................3 I.9. CORROSIN DE FRACTURA POR TENSIN..............................................................3

CAPITULO II QUMICA Y ELECTROQUMICA DE LA CORROSIN..........................................3 II.1. PRODUCTOS DE LA CORROSIN. .............................................................................3 II.2. REACCIONES ANODICAS............................................................................................3 II.3. REACCIONES CATDICAS..........................................................................................3 II.4. FENMENOS DE POLARIZACIN...............................................................................3 II.5. POTENCIAL DE CORROSIN. .....................................................................................3 II.6. POTENCIALES DE OXIDO REDUCCIN......................................................................3 II.7. CRITERIO PARA CORROSIN.....................................................................................3 II.8. DIAGRAMAS DE POTENCIAL ION PH .........................................................................3 II.9. CORROSIN GALVNICA............................................................................................3 II.10. RECONOCIMIENTO DE LA CORROSIN GALVNICA. ..........................................3 II.11. PREVENCIN DE LA CORROSIN GALVNICA.....................................................3 II.12. PREVENCIN DE LA CORROSIN POR MTODOS ELECTROQUMICOS. ..........3

CAPITULO III FUNDAMENTOS BSICOS DE PROTECCIN CATODICA..................................3 III.1. DEFINICIN DE PROTECCIN CATDICA.................................................................3 III.2. MEDIDA DE POTENCIALES. ........................................................................................3 III.3. CRITERIOS DE PROTECCIN .....................................................................................3 III.4. MTODO PARA DETERMINACIN DE POTENCIALES ELCTRICOS EN PLATAFORMAS MARINAS FIJAS BASADO EN EL ELECTRODO DE REFERENCIA. .............3 III.5. FORMAS DE PREVENCIN DE LA CORROSIN........................................................3 III.6. MEDIAS CELDAS DE REFERENCIA.............................................................................3 III.7. ELECTRODOS DE REFERENCIA.................................................................................3 III.8. DIFERENTES ZONAS DE CORROSIN EN UNA PLATAFORMA MARINA. ................3

CAPITULO IV DISEO DE LOS NODOS DE SACRIFICIO. .......................................................3 IV.1. CARACTERSTICAS DE LOS ANODOS DE SACRIFICIO.........................................3 IV.1.1. ALEACIONES PARA ANODOS DE SACRIFICIO. .....................................................3 IV.1.2. COMPOSICIN QUMICA DE LOS ANODOS DE SACRIFICIO. ...............................3 IV.2. CALCULO DEL NUMERO DE ANODOS DE ACUERDO A LA NORMA PROY-NRF-047-PEMEX-2002 .....................................................................................................................3 IV.3. CALCULO DEL NUMERO DE ANODOS DE ACUERDO A LA ASOCIACIN NACIONAL DE INGENIEROS DE CORROSIN NACE ..........................................................3 IV.4. DISTRIBUCIN DE LOS NODOS DE SACRIFICIO . ..............................................3

CAPITULO V INSTALACIN Y MANTENIMIENTO DE LOS NODOS DE SACRIFICIO.............3 CAPITULO VI INSPECCIN DE LOS NODOS DE SACRIFICIO...............................................3

VI.1. TCNICAS DE INSPECCIN....................................................................................3 VI.2. INSPECCIN VISUAL ...............................................................................................3


Pgina 3 de 96

VI.3. INSPECCIN VISUAL GENERAL. ............................................................................3 VI.4. INSPECCIN VISUAL DETALLADA..........................................................................3 VI.5. LIMITACIONES DE LA INSPECCIN VISUAL ..........................................................3 VI.6. TIPOS DE DEFECTOS DETECTABLES....................................................................3 VI.7. LIMITACIONES HUMANAS .......................................................................................3 VI.8. LIMITACIONES DEL EQUIPO UTILIZADO................................................................3 VI.9. MEDICIN DE ESPESORES ....................................................................................3 VI.10. MEDICIN DE POTENCIAL CATDICO...................................................................3 VI.11. REPORTE DE INSPECCIN.....................................................................................3 VI.12. CRITERIOS DE EVALUACIN..................................................................................3 VI.13. MEDICIN DE ESPESORES (REPORTE) ................................................................3 VI.14. COMENTARIOS FINALES.........................................................................................3 VI.15. INSPECCIN EN EL PATIO ANTES DE SER INSTALADOS ....................................3 VI.15.1. MUESTREO. (5*) ...................................................................................................3 VI.15.2. IDENTIFICACIN DEL LOTE DE NODOS. .........................................................3 VI.15.3. IDENTIFICACIN FSICA POR LOTE Y POR COLADA: .......................................3 VI.15.4. IDENTIFICACIN FSICA POR NODO:...............................................................3 VI.15.5. INFORMACIN CONTENIDA EN EL CERTIFICADO DE CALIDAD: .....................3 VI.15.6. INSPECCIN Y PRUEBAS....................................................................................3 VI.15.7. DIMENSIONES Y PESO........................................................................................3 VI.15.8. MANEJO Y TRANSPORTE....................................................................................3 VI.15.9. ALMACENAMIENTO. ............................................................................................3 VI.15.10. SEGURIDAD INDUSTRIAL Y PROTECCIN AMBIENTAL. ..................................3 CONCLUSIONES ......................................................................................................................3 RECOMENDACIONES ..............................................................................................................3 GLOSARIO DE TERMINOS.......................................................................................................3 SMBOLOS Y ABREVIATURAS.................................................................................................3 BIBLIOGRAFA ..........................................................................................................................3 ANEXO 1 ...................................................................................................................................3 ANEXO 2 ...................................................................................................................................3 ANEXO 3 ...................................................................................................................................3


Pgina 4 de 96

OBJETIVO

El presente trabajo tiene como objetivo proporcionar los criterios y requerimientos mnimos para el diseo, instalacin y mantenimiento de la

Proteccin catdica con nodos galvnicos o de sacrificio para evitar la

corrosin en Plataformas Marinas.


Pgina 5 de 96

JUSTIFICACIN

En este trabajo se presentara un panorama de lo que representa la corrosin, y sus formas de prevenirla utilizando nodos de sacrificio, ya

que a nivel mundial, es uno de los fenmenos ms trascendentales en la

economa debido a que de acuerdo a la Secretaria General de la

Organizacin de los Estados Americanos (OEA) (Programa regional de Desarrollo Cientfico y Tecnolgico) los perjuicios causados por la corrosin equivalen del 1.5 % al 3.5 % del Producto Nacional Bruto en

Numerosos Pases.


Pgina 6 de 96

INTRODUCCIN

En PEMEX Exploracin y Produccin (PEP), al igual que en la mayora de las industrias Petroleras, Uno de los retos que enfrentan en la actualidad dentro del mbito es la construccin de Plataformas dentro de la Sonda de Campeche en el Golfo de Mxico, para la explotacin de los hidrocarburos de ese sitio, cuyas instalaciones estn principalmente construidas por partes metlicas. Estas en general estn hechas de acero al carbn para resistir la fuerte erosin de los ambientes marinos.

Aproximadamente la proteccin catdica presenta sus primeros avances, en el ao 1824, en que Sir. Humphrey Davy, recomienda la proteccin del cobre de las embarcaciones, unindolo con hierro o zinc; habindose obtenido una apreciable reduccin del ataque al cobre, a pesar de que se presento el problema de ensuciamiento por la proliferacin de organismos marinos, habindose rechazado el sistema por problemas de navegacin.

En 1850 y despus de un largo perodo de estancamiento la marina Canadiense mediante un empleo adecuado de pinturas con antiorganismos y anticorrosivos demostr que era factible la proteccin catdica de embarcaciones con mucha economa en los costos y en el mantenimiento.

Para tener una pequea Idea de lo que esto puede suponer, spase que aproximadamente un 25% de la Produccin anual de acero es destruida por la corrosin.

Las medidas preventivas tomadas para controlar la corrosin consisten, fundamentalmente en: Sistemas basados en proteccin catdica, son sin duda el mtodo ms eficaz para controlar la corrosin en instalaciones enterradas e inmersas en un agua de mar. Estos sistemas, de acuerdo a su forma de operar, se clasifican como de corriente impresa y por nodos de sacrificio, de los cuales los segundos se utilizaran en las Plataformas de la sonda de Campeche del Golfo de Mxico (Anexo 1)

Por consiguiente, a las plataformas se les instalaran de acuerdo a su diseo nodos de sacrificio, estos sern de aluminio Galvalum III H 725 lbs. para que con ello se logren mantener en optimas condiciones de operacin, a los nodos instalados comnmente reciben el nombre de sistemas de proteccin catdica con lo cual se evita que las plataformas se deterioren por la corrosin agresiva existente costa afuera.


Pgina 7 de 96

Para un mayor entendimiento la proteccin catdica se define como el mtodo de reducir o eliminar la corrosin de un metal, haciendo que, la superficie de este, funcione completamente como ctodo cuando se encuentra sumergido o enterrado en un electrolito.

Esto se logra haciendo que el potencial elctrico del metal a proteger se vuelva ms electronegativo mediante la aplicacin de una corriente directa o la unin de un material de sacrificio (comnmente magnesio, aluminio o zinc)

Normalmente, el mtodo es aplicable a estructuras de fierro y acero pero, tambin, se usa en grado limitado en plomo, aluminio y otros metales.

Las plataformas por encontrarse dentro del agua de mar, estn continuamente sufriendo el deterioro y el Ingeniero se enfrenta siempre al problema de corrosin mencionado, pero para que se tomen las decisiones ms acertadas, se deben de inspeccionar las plataformas construidas, es aqu donde se deber efectuar el Monitoreo de la proteccin catdica con la ms alta tecnologa y con el mejor personal ampliamente capacitado.

En el presente trabajo nuestro objetivo es el de conocer el funcionamiento correcto de la proteccin catdica as como su diseo para comprender este tema se consideraron conceptos principales, los cuales nos muestran los fundamentos bsicos de corrosin, fundamentos bsicos de proteccin catdica, proceso de instalacin de nodos en una plataforma, diseo de proteccin catdica, monitoreo e inspeccin de la proteccin catdica, finalmente definiremos los resultados, las conclusiones y recomendaciones.


Pgina 8 de 96

CAPITULO I FUNDAMENTOS BSICOS SOBRE CORROSIN.

I.1. ASPECTOS GENERALES DE LA CORROSIN.

La vida til del equipo de la industria petrolera se acorta a menudo como un resultado de la corrosin y en los ltimos 10 aos se han tenido grandes adelantos en su deteccin y remedios aplicados para controlar, en la produccin del petrleo.

En trminos tcnicos simplificados, la corrosin ha sido definida como la destruccin de un metal por reaccin qumica o electroqumica por el medio ambiente y representa la diferencia entre una operacin libre de problemas con gastos de operacin muy elevados.

Para efectos prcticos, es casi imposible eliminar la corrosin y el secreto efectivo de la ingeniera en este campo radica ms en su control, que en su eliminacin siendo necesario tomar en cuenta el fenmeno corrosivo desde el diseo de las instalaciones y no despus de ponerlas en operacin.

El ingeniero que trabaja en problemas de corrosin necesita saber donde empezar y tener un conocimiento bsico para reconocer la corrosin, cmo se produce, cmo impedir su severidad, qu herramientas son necesarias, tcnicas de inspeccin, variables de diseo que afectan a la corrosin, seleccin de materiales y la forma de interpretar y aplicar la informacin del problema corrosivo, as como saber donde obtener ayuda.

Todos los metales y aleaciones son susceptibles de sufrir el fenmeno de corrosin, no habiendo material til para todas las aplicaciones. Por ejemplo el oro, conocido por su excelente resistencia a la atmsfera, se corroe si se pone en contacto con mercurio a temperatura ambiente. Por otra parte el acero no se corroe en contacto con el mercurio, pero rpidamente se oxida expuesto a la atmsfera. Afortunadamente se tienen bastantes metales que pueden comportarse satisfactoriamente en medios especficos y tambin se tienen mtodos de control de la corrosin que reducen el problema.

Los paros de las plantas pueden ocurrir y ocurren como un resultado de la corrosin, provocando gastos directos e indirectos de aspecto econmico y humano.

Dentro de los aspectos econmicos tenemos: a).- Reposicin del equipo corrodo. b).- Coeficiente de seguridad y sobre diseo para soportar la corrosin.


Pgina 9 de 96

c).- Mantenimiento preventivo como la aplicacin de recubrimientos. d).- Paros de produccin debidos a fallas por corrosin. e).- Contaminacin de productos. f).- Prdida de eficiencia ya que los coeficientes de seguridad, sobre diseo de equipo y productos de corrosin por ejemplo, decrece la velocidad de transmisin de calor en cambiadores de calor. g).- Prdida de productos valiosos. h).- Dao de equipo adyacente a aquel en el cual se tuvo la falla de corrosin.

Dentro de los aspectos humanos y sociales tenemos:

a).- La seguridad, ya que fallas violentas pueden producir incendios, explosiones y liberacin de productos txicos. b).- Condiciones insalubres por ejemplo, contaminaciones debido a productos del equipo corrodo o bien un producto de la corrosin misma. c).- Agotamiento de los recursos naturales, tanto en metales como en combustibles usados para su manufacturera. d).- Apariencia, ya que los materiales corrodos generalmente son desagradables a la vista. Naturalmente, estos aspectos sociales y humanos tambin tienen sus aspectos econmicos y podemos ver claramente que hay muchas razones para controlar la corrosin.

La corrosin en sistemas de combustible de los automviles, radiadores de los sistemas de refrigeracin, tubos de escape, representa cerca de 20 millones de dlares anuales, y algo semejante ocurre en los sistemas de calentamiento de agua para uso domstico y los sistemas de aire acondicionado que se cambian frecuentemente, es decir, los gastos por problemas de corrosin son bastante significativos.

En efecto, nuestra economa cambiara drsticamente si no hubiera corrosin. Por ejemplo, los automviles, los barcos, las tuberas enterradas, las estructuras de plantas industriales, las estructuras caseras, no requeriran pinturas anticorrosivas. La industria del acero inoxidable desaparecera y el cobre sera usado slo para propsitos elctricos. Muchas plantas metlicas, as como productos de consumo seran fabricados de acero y fierro fundido.

La corrosin toca y est en todo, el interior y exterior de las casas, sobre la carretera, en el mar, en las plantas industriales, en los vehculos aeroespaciales etc.


Pgina 10 de 96

I.2. FORMAS DE LA CORROSIN.

La corrosin ocurre en muchas y muy variadas formas, pero su clasificacin generalmente se basa en uno de los tres siguientes factores:

1.- Naturaleza de la substancia corrosiva. La corrosin puede ser clasificada como hmeda o seca, para la primera se requiere un lquido o humedad mientras que para la segunda, las reacciones se desarrollan con gases a alta temperatura.

2.- Mecanismo de corrosin. Este comprende las reacciones electroqumicas o bien, las reacciones qumicas.

3.- Apariencia del metal corrodo. La corrosin puede ser uniforme y entonces el metal se corroe a la misma velocidad en toda su superficie, o bien, puede ser localizada, en cuyo caso solamente resultan afectadas reas pequeas.

La clasificacin por apariencia, uniforme o localizada, es muy til para una discusin preliminar que en caso de requerirse en forma ms completa, necesita del establecimiento de las diferencias entre la corrosin localizada de tipo macroscpico y el ataque microscpico local. En el ataque microscpico, la cantidad de metal disuelto es mnima y puede conducir a daos muy considerables antes de que el problema sea visible. Los diferentes tipos de corrosin se presentan en el siguiente esquema.

Figura N 1 Tipos de corrosin

Corrosin

Uniforme Localizada

Macroscpica Microscpica

Galvanica

Erosin

Agrietamiento

Picadura

Exfoliacin

Ataque selectivo

Intergranular

Fractura por Corrosin

Bajo Tensin


Pgina 11 de 96

I.3. CORROSIN GALVANICA Y UNIFORME

El ataque uniforme sobre grandes reas de una superficie metlica (Figura N 2) es la forma ms comn de la corrosin y puede ser hmeda o seca, electroqumica o qumica, siendo necesario seleccionar los materiales de construccin y los mtodos de proteccin como pintura, para controlarla.

Por otra parte, la corrosin uniforme es la forma ms fcil de medir, por lo que las fallas inesperadas pueden ser evitadas simplemente por inspeccin regular.

La corrosin galvnica se presenta, cuando dos metales diferentes en contacto o conectados por medio de un conductor elctrico, son expuestos a una solucin conductora. En este caso, existe una diferencia en potencial elctrico entre los metales diferentes y sirve como fuerza directriz para el paso de la corriente elctrica a travs del agente corrosivo, de tal forma que el flujo de corriente corroe uno de los metales del par formado.

Mientras ms grande es la diferencia de potencial entre los metales, mayor es la probabilidad de que se presente la corrosin galvnica debindose notar que este tipo de corrosin slo causa deterioro en uno de los metales, mientras que el otro metal del par casi no sufre dao.

El metal que se corroe recibe el nombre de metal activo, mientras que el que no sufre dao se le denomina metal ms noble.

La relacin de reas entre los dos metales es muy importante, ya que un rea muy grande de metal noble comparada con el metal activo, acelerar la corrosin, y por el contrario, una mayor rea del metal activo comparada con el metal noble disminuye el ataque del primero.

La corrosin galvnica a menudo puede ser reconocida por el incremento del ataque junto a la unin de los metales, como se indica en la (Figura N 2) y este tipo puede ser controlado por el uso de aislamientos o restringiendo el uso de uniones de metales cuando ellos forman diferencias de potencial muy grande en el medio ambiente en el que se encuentran. La diferencia de potencial puede ser medida, utilizando como referencia la serie galvnica de los metales y aleaciones que se presentan ms adelante, en la serie de los potenciales tipo (standard) de xido de reduccin.


Pgina 12 de 96

Otro mtodo para reducir la corrosin galvnica, es evitar la presencia de grandes reas de metal noble con respecto a las de metal activo.

Figura N 2 Corrosin Uniforme.

I.4. CORROSIN POR EROSIN

Cuando el movimiento del medio corrosivo sobre la superficie metlica incrementa la velocidad de ataque debido a desgaste mecnico, este recibe el nombre de corrosin por erosin. La importancia relativa del desgaste mecnico y la corrosin, es a menudo difcil de establecer y varia grandemente de una situacin a otra, y el mecanismo de la erosin generalmente se atribuye a la remocin de pelculas superficiales protectoras, como por ejemplo, pelculas de xido formadas por el aire, o bien, productos adherentes de la corrosin. La corrosin por erosin, generalmente tiene la apariencia de picaduras poco profundas de fondo terso, como se ve en la Figura N.3, y el ataque puede presentar tambin una distribucin direccional debido al camino seguido por el agente agresivo cuando se mueve sobre la superficie del metal, tal y como se muestra en la Figura N 3.

La corrosin por erosin prospera en condiciones de alta velocidad, turbulencia, choque, etc., y frecuentemente se observa en impulsores de bombas, agitadores y en codos y


Pgina 13 de 96

cambios de direccin de tuberas. Los lquidos con suspensin conteniendo partculas slidas duras pueden igualmente causar este tipo de problema. La corrosin por erosin puede ser evitada por cambios de diseo o por seleccin de materiales ms resistentes.

Figura N 3 Corrosin por Erosin

La corrosin por cavitacin y desgaste (fretting) son formas especiales de la corrosin por erosin. La primera es causada por la formacin y colapso de burbujas de vapor en la superficie del metal. Las altas presiones producidas por este colapso pueden disolver el metal, remover las partculas protectoras, etc.

La corrosin por desgaste (fretting) ocurre cuando las piezas de metal se deslizan una sobre la otra, causando dao mecnico a una o ambas piezas (Figura N 3) y el deslizamiento es generalmente un resultado de la vibracin.

La corrosin se cree que juega uno de los siguientes papeles: el calor de la friccin oxida el metal y a continuacin el xido se desgasta, o bien, la remocin mecnica de las partculas protectoras de xido, o los productos de la corrosin resultantes, dan como resultado la exposicin de superficies limpias del metal al medio agresivo, en tal forma que el fenmeno corrosivo se acelera.

La corrosin por deslizamiento se atena utilizando materiales de construccin ms duros, empleando lubricacin o bien incrementando la friccin hasta un punto tal en que el deslizamiento es imposible.


Pgina 14 de 96

I.5. CORROSIN POR AGRIETAMIENTO

Las condiciones ambientales en una grieta, pueden con el tiempo volverse muy diferentes de las existentes en una superficie limpia y abierta, por lo que un medio ambiente muy agresivo puede desarrollar y causar corrosin en las grietas (Figura N 4) Las grietas o hendeduras generalmente se encuentran en los empaques, traslapes, tornillos, remaches, etc., y tambin pueden formarse por depsitos de suciedad, productos de la corrosin y raspaduras en las pelculas de recubrimiento.

La corrosin por agrietamiento, generalmente se atribuye a los siguientes factores: a).- Cambios de acidez en la grieta o hendidura. b).- Escasez de oxgeno en la grieta. c).- Desarrollo de iones diferentes en la hendidura. d).- Agotamiento de Inhibidor en la grieta.

Al igual que todas las formas de corrosin localizada, la corrosin por agrietamiento no ocurre en todas las combinaciones metal-agente corrosivo, y algunos materiales son ms susceptibles para producirla que otros, como por ejemplo aquellos que dependen de las pelculas protectoras de xido formadas por el aire para adquirir su resistencia a la corrosin, tal y como sucede con el acero inoxidable y el titanio. Estos materiales pueden ser aleados para mejorar su resistencia y el diseo deber hacerse de tal manera, que se reduzcan las hendiduras, tratando de mantener las superficies limpias para combatir este tipo de corrosin.

Figura N 4 Corrosin por Agrietamiento.


Pgina 15 de 96

I.6. CORROSIN POR PICADURA

La corrosin por picadura se presenta por la formacin de orificios en una superficie relativamente in atacada y las picaduras pueden tener varias formas (Figura N 5).

La forma de una picadura es a menudo responsable de su propio avance, por las mismas razones mencionadas en la corrosin por agrietamiento, es decir, una picadura puede ser considerada como una grieta o hendidura formada por si misma.

Para reducir la corrosin por picadura se necesita una superficie limpia y homognea, por ejemplo, un metal homogneo y puro con una superficie muy pulida deber ser generalmente, mucho ms resistente que una superficie que tenga incrustaciones, defectos o rugosidad.

La corrosin por picadura es un proceso lento que puede llevarse meses y aos antes de ser visible, pero que naturalmente, causar fallas inesperadas. El pequeo tamao de la picadura y las minsculas cantidades de metal que se disuelven al formarla, hacen que la deteccin de sta sea muy difcil en las etapas iniciales.

La limpieza de la superficie y la seleccin de materiales conocidos, resistentes a la formacin de picaduras en un medio ambiente determinado, es generalmente el camino ms seguro para evitar este tipo de corrosin.

Figura N 5 Corrosin por Picadura.


Pgina 16 de 96

I.7. CORROSIN POR EXFOLIACIN Y DISOLUCION SELECTIVA

La corrosin por exfoliacin es una corrosin subsuperficial que comienza sobre una superficie limpia, pero se esparce debajo de ella y difiere de la corrosin por picadura en que el ataque tiene una apariencia laminar. Capas completas de material son corrodas (Figura N 6) y el ataque es generalmente reconocido por el aspecto escamoso y en ocasiones ampollado de la superficie.

Al final del ataque, una muestra tiene la apariencia de un mazo de barajas en el cual algunas de las cartas han sido extradas. Este mecanismo es bien conocido en las aleaciones de aluminio y se combate utilizando aleaciones y tratamientos trmicos.

La corrosin por disolucin selectiva se produce al efectuarse la remocin de uno de los elementos de una aleacin siendo el ejemplo ms comn la eliminacin del zinc en aleaciones de cobre-zinc, conocido con el nombre de dezincificacin. Este fenmeno corrosivo produce un metal poroso (Figura N 6 ) qu e tiene propiedades mecnicas muy pobres y obviamente el remedio a este caso es el empleo de aleaciones que no sean susceptibles a este proceso.

Figura N 6 Corrosin por Exfoliacin.


Pgina 17 de 96

I.8. CORROSIN INTERGRANULAR O INTERCRISTALINA

Para entender este tipo de ataque es necesario considerar que cuando un metal fundido se cuela en un molde, su solidificacin comenz con la formacin de ncleos al azar, cada uno de los cuales crece en un arreglo atmico regular para formar lo que se conoce con el nombre de granos o cristales. El arreglo atmico y los espaciamientos entre las capas de los granos, son los mismos en todos los cristales de un metal dado; sin embargo, debido a la nucleacin al azar, los planos de los tomos en las cercanas de los granos no encajan perfectamente bien y el espacio entre ellos recibe el nombre de lmite de grano. Si se dibuja una lnea de 2.5 cm de longitud sobre la superficie de una aleacin, esta deber cruzar aproximadamente 100 lmites de grano, los lmites de grano son a veces atacados preferencialmente por un agente corrosivo y el ataque se relaciona con la segregacin de elementos especficos o por la formacin de un compuesto en el lmite.

La corrosin generalmente ocurre, porque el agente corrosivo ataca preferencialmente el lmite de grano o una zona adyacente a l, que ha perdido un elemento necesario para tener una resistencia a la corrosin adecuada. En un caso severo de corrosin nter cristalina, granos enteros se desprenden debido a la deterioracin completa de sus lmites (Figura N 7) , en cuyo caso, la superficie aparecer rugosa al ojo desnudo y se sentir rasposa debido a la prdida de los granos. El fenmeno de lmite de grano que causa la corrosin Inter cristalina, es sensible al calor por lo que la corrosin de este tipo, es un subproducto de un tratamiento trmico como la soldadura o el relevado de esfuerzos y puede ser corregido por otro tipo de tratamiento trmico o por el uso de una aleacin modificada.

Figura N 7 Corrosin Intergranular o Intercristalina.


Pgina 18 de 96

I.9. CORROSIN DE FRACTURA POR TENSIN

La accin conjunta de un esfuerzo de tensin y un medio ambiente corrosivo, dar como resultado en algunos casos, la fractura de una aleacin metlica. La mayora de las aleaciones son susceptibles a este ataque, pero afortunadamente el nmero de combinaciones aleacin corrosivo que causan este problema, son relativamente pocas. Sin embargo, hasta la fecha, este es uno de los problemas metalrgicos ms serios. Los esfuerzos que causan las fracturas provienen de trabajos en fro, soldadura, tratamiento trmicos, o bien, pueden ser aplicados en forma externa durante la operacin del equipo.

Las fracturas pueden seguir caminos nter cristalinos o transcristalinos (Figura N 8) que a menudo presentan una tendencia a la ramificacin. Algunas de las caractersticas de la corrosin de fractura por tensin, son las siguientes:

a) Para que esta corrosin exista, se requiere un esfuerzo de tensin. b) Las fracturas se presentan quebradizas en forma macroscpica, mientras que las

fallas mecnicas de la misma aleacin, en ausencia de un agente corrosivo especifico, generalmente presentan ductibilidad.

c) La corrosin por esfuerzos depende de las condiciones metalrgicas de la aleacin. d) Algunos medios ambientes especficos, generalmente causan fractura en una

aleacin dada. El mismo medio ambiente no causa fracturas en otras aleaciones. e) La corrosin por esfuerzo puede ocurrir en medios ambientes considerados no f) agresivos para una aleacin dada, por ejemplo la velocidad de corrosin uniforme

es baja hasta que se presenta una fractura. g) Largos periodos de tiempo, a menudo aos, pueden pasar antes de que las

fracturas sean visibles, pero entonces al presentarse, se propagan rpidamente con el resultado de una falla inesperada.

h) La corrosin por esfuerzo, no est completamente entendida en la mayora de los casos; sin embargo, en la actualidad se dispone de muchos datos para ayudar al ingeniero a evitar este problema.

Para combatir la corrosin de fracturas por tensin, es necesario realizar el relevado de esfuerzo o seleccionar un material ms resistente. El trmino de fragilizacin por hidrgeno se confunde frecuentemente con la corrosin de fractura por tensin, debido a que el hidrgeno desempea una funcin en algunos casos de sta y para distinguir la fragilizacin por hidrgeno de la corrosin de fractura por tensin, es conveniente juzgar los siguientes conceptos:


Pgina 19 de 96

a) La fractura debido al hidrgeno introducido en el metal sin corrosin de ste, por ejemplo, en la proteccin catdica, no es definitivamente corrosin de fractura por tensin.

b) La fractura debido al hidrgeno producida por una alta velocidad de corrosin c) uniforme como en el decapado, tampoco es corrosin de fractura por tensin

porque no se necesita tener un esfuerzo mientras el hidrgeno se produce y la fractura se presenta posteriormente cuando la tensin es aplicada despus de la reaccin corrosiva con liberacin de hidrgeno.

d) Cuando el hidrgeno se produce por corrosin local en una fractura o picadura sobre un metal sometido a esfuerzo de tensin y resulta una propagacin en la fractura, entonces s se considera que la corrosin pertenece al tipo de corrosin de fractura por tensin.

La corrosin por fatiga, es una forma especial del tipo de corrosin de fractura por tensin y se presenta en ausencia de medios corrosivos, debido a esfuerzos cclicos repetidos. Estas fallas son muy comunes en estructuras sometidas a vibracin continua.

La corrosin por fatiga, se incrementa naturalmente con la presencia de un medio agresivo, de tal forma que el esfuerzo necesario para producir la corrosin por fatiga, se reduce en algunas ocasiones hasta la mitad del necesario, para producir la falla en aire seco (Figura N 8).

Figura N 8 Corrosin por Tensin.


Pgina 20 de 96

Los mtodos para evitar la corrosin por fatiga, necesitan prevenir la fractura producida por sta desde el principio, ya que es muy difcil detener la propagacin de las fracturas, una vez que se inician.

De lo indicado anteriormente, se ve la necesidad de reconocer en primer lugar, las diferentes formas en las que se presenta la corrosin para as tomar medidas pertinentes que permitan establecer los mtodos correctivos para atenuarla, los cuales son mejor comprendidos si se conoce la teora de la corrosin.

CAPITULO II QUMICA Y ELECTROQUMICA DE LA CORROSIN.

La corrosin como una reaccin qumica, para poder comprender el fenmeno corrosivo como el resultado de una reaccin qumica, es necesario disponer de algunos principios elementales de qumica, los cuales se enunciarn brevemente a continuacin.

II.1. PRODUCTOS DE LA CORROSIN.

El trmino productos de la corrosin se refiere a las substancias obtenidas durante las reacciones de corrosin y estas pueden ser solubles como en el caso del cloruro de zinc y del sulfato de zinc o insolubles como en el caso del xido de fierro e hidrxido de fierro. La presencia de los productos de la corrosin es una de las formas por las cuales se detecta sta, por ejemplo el xido. Sin embargo, es conveniente notar que los productos insolubles de la corrosin no siempre son visibles, por ejemplo al exponer una pieza de aluminio al aire, se forma una pelcula de xido casi invisible que protege al metal de un ataque posterior y la pelcula es casi invisible porque es extraordinariamente delgada, siendo esta la razn del uso extensivo del aluminio en la construccin de ventanas, canceles y molduras automotrices.


Pgina 21 de 96

II.2. REACCIONES ANODICAS.

Durante el ataque corrosivo la reaccin andica siempre es la oxidacin de un metal a un estado superior de valencia, por ejemplo las reacciones 1, 2 y 3.

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 ..............................................................................( 1 ) Fe + 2HCI = FeCI2 + H2 ...............................................................................( 2 ) 2Al + 6HCI = 2AlCI3 + 3H2......................................................................... ( 3 )

Todas ellas, representan la reduccin de los iones hidrgeno a gas hidrgeno y la nica diferencia entre ellas, es la naturaleza de sus procesos andicos de oxidacin dentro de esto podemos observar que la reaccin catdica es simplemente el desprendimiento de gas hidrgeno.

Este desprendimiento de hidrgeno ocurre con una gran variedad de metales y de cidos, tales como el clorhdrico, sulfrico, fluorhdrico, actico, frmico y otros cidos orgnicos solubles en agua.

Separando las reacciones 1, 2 y 3 en reacciones andicas y catdicas, vemos que la ecuacin 1 representa la oxidacin del zinc a sus iones, tal como se indica en las siguientes reacciones andicas:

Zn = Zn+2 + 2e.......................................................................(4) Fe = Fe+2 + 2e ......................................................................(5) Al = Al+3 + 3e ........................................................................(6)

De acuerdo con estas reacciones, la reaccin andica se puede representar en forma general como sigue:

M = M+n + ne ........................................................................(7)

Es decir, la corrosin del metal M da por resultado su oxidacin para formar iones con valencia +n y la liberacin de n electrones.

El valor de n depende de la naturaleza del metal, as por ejemplo, la plata es monovalente mientras que otros metales como el fierro, titanio y uranio son polivalentes y algunos pueden tener cargas positivas tan elevadas como 8. La ecuacin 7 es entonces general y se aplica a todas las reacciones de corrosin.


Pgina 22 de 96

II.3. REACCIONES CATDICAS.

Hay varias reacciones catdicas que se encuentran durante la corrosin de los metales, tales como las que se enlistan a continuacin:

Desprendimiento de hidrgeno 2H++2e = H2..........................................................................(8)

Reduccin de oxgeno (en soluciones cidas) O2 + 4H++ 4e = 2H2 O ...........................................................(9)

Reduccin de oxgeno (en soluciones neutras o alcalinas) O2 + 2H2 O + 4e = 4OH-.......................................................(10)

Reduccin de iones metlicos Fe+3 + 1e = Fe+2...................................................................(11)

Depsito de metal Cu+2 + 2e = Cu ....................................................................(12)

La reduccin del oxgeno, ecuaciones 9 y 10, es una reaccin catdica muy comn ya que el oxgeno est presente en la atmsfera y las soluciones estn expuestas a la misma.

La reduccin de iones metlicos y el depsito de metales aunque es menos frecuente, causa problemas de corrosin muy severos. Todas estas reacciones tienen en comn que consumen electrones y todas las reacciones de corrosin son simplemente combinaciones de una o ms de las reacciones catdicas indicadas, unidas con una reaccin andica similar a la ecuacin 7.

Durante la corrosin pueden ocurrir ms de una reaccin de oxidacin y de reduccin, as por ejemplo, durante el ataque de una aleacin, los tomos de los componentes metlicos pasan a la solucin en forma de iones, como sucede con la aleacin de cromo fierro en donde tanto el cromo como el fierro son oxidados a iones.


Pgina 23 de 96

II.4. FENMENOS DE POLARIZACIN.

Es de inters primordial del ingeniero de corrosin, el conocer la velocidad a la cual se desarrollan las reacciones catdicas y andicas que pueden ser determinada por varios mtodos fsicos y qumicos. Cuando una reaccin electroqumica se retarda, se dice que esta polarizada y hay dos tipos diferentes de polarizacin que son:

a) Polarizacin de activacin. b) Polarizacin por concentracin.

La polarizacin por activacin: Se refiere a aquellos factores retardadores de la reaccin que son inherentes a la reaccin misma como por ejemplo, la velocidad a la cual los iones hidrgeno se reducen a gas hidrgeno, otro factor determinante de esto que incluyen la velocidad de transporte del electrn al Ion hidrgeno en la superficie metlica, que naturalmente es inherente de un metal en especial y depende de la concentracin de iones hidrgeno y de la temperatura del sistema, por lo que la velocidad de desprendimiento del hidrgeno es muy diferente para cada metal.

Por otra parte, la polarizacin por concentracin: Se refiere al retardo de la reaccin electroqumica como un resultado de los cambios de concentracin en la solucin adyacente a la superficie metlica. Si la reaccin procede a muy alta velocidad y la concentracin de iones hidrgeno de la solucin es baja, se puede ver que la regin cercana a la superficie metlica se agota en sus iones hidrgeno puesto que son consumidos en la reaccin qumica. Bajo estas condiciones, la reaccin es controlada por la velocidad de difusin de los iones hidrgeno a la superficie metlica.

La polarizacin por activacin es generalmente el factor que controla la corrosin en cidos fuertes, mientras que la polarizacin por concentracin predomina cuando la concentracin de las especies activas es baja, por ejemplo, en cidos diluidos o en soluciones salinas y agua con oxgeno, ya que la solubilidad del oxgeno es muy baja en soluciones acuosas y en agua.

El conocimiento del tipo de polarizacin que se presenta es muy til ya que permite predecir las caractersticas del sistema corrosivo, por ejemplo, entonces cualquier incremento en la velocidad de difusin de las especies activas como H+ deber


Pgina 24 de 96

incrementar la velocidad de corrosin y en un sistema de esta naturaleza, la agitacin del lquido tiende a incrementar la velocidad de corrosin del metal. Por otra parte, si la reaccin catdica se controla por polarizacin por activacin, entonces la agitacin no tendr ningn efecto en la velocidad de corrosin, lo cual confirma que el conocimiento del tipo de polarizacin presente permite hacer predicciones muy tiles concernientes a efecto relativo que sobre la velocidad de corrosin puede ser producida por el aumento de velocidad de flujo de un lquido en una tubera.

II.5. POTENCIAL DE CORROSIN.

El potencial de un metal que se corroe es muy til en los estudios de corrosin y se puede obtener fcilmente en el laboratorio y en condiciones de campo y se determina midiendo la diferencia de potencial existente entre el metal sumergido en un medio corrosivo y un electrodo de referencia apropiado. Los electrodos de referencia ms utilizados son el electrodo saturado de calomel, el electrodo de cobre sulfato de cobre, plata-cloruro de plata y el de zinc puro. La medicin de la diferencia de potencial entre el metal que se corroe y el electrodo de referencia se lleva a cabo con la ayuda de un potencimetro.

Al medir y reportar los potenciales de corrosin es necesario indicar la magnitud y el signo de voltaje obtenido.

II.6. POTENCIALES DE OXIDO REDUCCIN.

El potencial de xido reduccin se refiere al potencial relativo de una reaccin electroqumica en condiciones de equilibrio por lo que las reacciones deben proceder a la misma velocidad en ambas direcciones. Estos potenciales tambin son conocidos con el nombre de potenciales Redox, potencial de media celda y serie de fuerzas electromotrices.


Pgina 25 de 96

II.7. CRITERIO PARA CORROSIN.

Los potenciales de xido reduccin son muy tiles ya que pueden ser utilizados para predecir si un metal es o no corrodo en un medio ambiente dado. Esto se puede establecer por medio de la siguiente regla generalizada:

En cualquier reaccin electroqumica la media celda ms negativa tiende a oxidarse, mientras que la media celda ms positiva tiende a reducirse.

Se puede ver que todos los metales que tienen potenciales Redox ms negativos que la media celda iones hidrgeno gas hidrgeno, sern corrodos por soluciones cidas lo cual incluye a metales como el plomo, estao, nquel, fierro y aluminio junto con los metales con potenciales negativos.

Por otra parte, el cobre, mercurio, plata, paladio y los otros metales con potenciales ms positivos que la media celda iones hidrgeno gas hidrgeno, no sern corrodos por soluciones cidas, es decir, el cobre por ejemplo, podra ser un buen material para guardar cidos, sin embargo el cobre se corroe si el cido contiene oxgeno ya que el potencial Redox del cobre es menos positivo que el potencial de las dos medias pilas de oxgeno, tal y como se muestra en la tabla de los potenciales redox a 25o C.


Pgina 26 de 96

Au = Au+3 + 3e 1.42 Noble Pt = Pt+2 + 2e 1.2 O2 + 4H+ + 4e = 2H2O 1.23 Pd = Pd++ + 2e 0.83 Ag = Ag+ + e 0.799 2Hg = Hg2++ + 2e 0.798 Fe+3 + e = Fe+2 0.771 O2 + 2H2O + 4e = 4OH 0.401 Cu = Cu+2 + 2e 0.34 Sn+4 + 2e = Sn+2 0.154 2H+ + 2e = H2 0.000 Referencia Pb = Pb+2 + 2e -0.126 Sn = Sn+2 + 2e -0.140 Ni = Ni+2 + 2e -0.23 Co = Co+2 + 2e -0.27 Cd = Cd+2 + 2e -0.402 Fe = Fe+2 + 2e -0.44 Cr = Cr+3 + 3e -0.71 Zn = Zn+2 + 2e -0.763 Al = Al+3 + 3e -1.66 Mg = Mg+2 + 2e -2.38 Na = Na+ + e -0.71 K = K+ + e -2.92 Activo

Tabla N 1 Potenciales Standard de xido - reducci n (Redox) a 25 C


Pgina 27 de 96

II.8. DIAGRAMAS DE POTENCIAL ION PH (2*).

El uso de los potenciales Redox puede ser extendido, graficando los potenciales Redox como funcin del pH de la solucin. Estos diagramas se conocen como diagramas de Pourbaix y se elaboran utilizando clculos electroqumicos, datos de solubilidad y constantes de equilibrio.

Es necesario recordar que el pH es simplemente el logaritmo negativo de la concentracin de iones hidrgeno de tal manera que un pH de 7 indica que se tiene 10-7 iones gramo de hidrgeno por litro de solucin y corresponde a una solucin neutra, mientras que un pH = 0 representa una solucin muy cida y un pH = 14, es una solucin muy alcalina.

El diagrama de Pourbaix para el sistema Fe H2O permite ver que a potenciales ms positivos que 0.6 volts y pH menor que nueve, los iones ferrosos son la substancia estable por lo que el fierro deber corroerse en estas condiciones suministrando iones Fe+2

En otras regiones del diagrama se puede ver que la corrosin del fierro produce iones frricos, hidrxido ferroso y en condiciones muy alcalinas iones complejos de fierro. El principal uso de los diagramas de Pourbaix, que pueden ser constituidos para todos los metales son:

1.- Predecir si hay o no corrosin. 2.- Estimar la composicin de los productos de la corrosin. 3.- Predecir cambios del medio ambiente que ayuden a prevenir o reducir el ataque corrosivo.

En el diagrama de Pourbaix en el sistema fierro agua, la regin oscura indica que el fierro no se corroe bajo estas condiciones de potencial y pH, es decir si el potencial de corrosin del fierro se hace suficientemente negativo, por ejemplo 1.2 volts, el fierro no se corroer en ningn sistema que vari desde pH muy cido hasta pH muy bsico. Esta observacin es le fundamento de la proteccin catdica del fierro.

(2*) Mas all de la herrumbe


Pgina 28 de 96

II.9. CORROSIN GALVNICA.

En las instalaciones de planta, se emplean una gran variedad de metales y aleaciones diferentes, que a menudo estn en contacto fsico y elctrico. Este contacto o acoplamiento de metales diferentes algunas veces causa velocidad de corrosin elevada, que recibe el nombre de corrosin galvnica.

La corrosin galvnica se presenta cuando se tienen las siguientes condiciones:

Cuando se conectan metales diferentes, el ms activo o metal andico se corroe ms rpidamente que el metal ms noble o metal catdico tiende a protegerse.

A medida que la diferencia de potencial entre los dos metales se incrementa, la corrosin galvnica tambin aumenta. Un ejemplo de la corrosin galvnica se presenta al conectar tuberas de aluminio y de fierro que dan como resultado una mayor velocidad de corrosin en la tubera de aluminio.

La corrosin galvnica se presenta tambin con mucha frecuencia en cambiadores de calor donde los tubos generalmente son de cobre, mientras que el resto del cambiador de calor es de acero. En estas condiciones, la parte de acero funciona andicamente disolvindose mientras que los tubos de cobre funcionan catdicamente protegindose.

En el problema planteado del cambiador de calor se puede ver el efecto que las reas de los diferentes metales tienen en el fenmeno corrosivo y puede establecerse que a medida que la reaccin del rea catdica a rea andica se aumenta, la velocidad de corrosin se acelera.

II.10. RECONOCIMIENTO DE LA CORROSIN GALVNICA.

Antes de discutir la forma de prevenir la corrosin galvnica, es necesario asegurarse de que este tipo de corrosin est ocurriendo para lo cual es necesario que coincidan tres condiciones:

Presencia de dos metales electroqumicamente diferentes. Contacto elctrico entre los dos metales diferentes. Los metales debern estar expuestos a un electrolito.


Pgina 29 de 96

II.11. PREVENCIN DE LA CORROSIN GALVNICA.

Hay varias formas para evitar la corrosin galvnica y pueden ser usadas en forma aislada o combinadas y naturalmente, los mtodos de prevencin, se basan en el conocimiento del mecanismo de la corrosin galvnica.

La forma de prevenir este tipo de corrosin se puede hacer con los siguientes mtodos:

Evitando el uso de metales diferentes siempre que esto sea posible. Si esto no es prctico, tratar de usar metales que estn lo ms cercano posible entre s en la serie galvnica. (Tabla N 2)

Es necesario evitar una relacin de reas desfavorables, es decir, bajo ninguna circunstancia conectar una pequea rea andica a una gran rea catdica.

Si se utilizan metales diferentes, aislar elctricamente uno del otro, instalando juntas de aislamiento.

Si se necesita utilizar metales diferentes, y no pueden ser aislados, las partes andicas debern ser diseadas de manera de poderlas reemplazar fcilmente o construirlas de materiales ms gruesos para alargar la vida del equipo bajo los efectos de la corrosin.


Pgina 30 de 96

Activo o Andico Magnesio Aleaciones de Magnesio Zinc Acero Galvanizado Aluminio 1100 Aluminio 2024 Acero Hierro Dulce Hierro Colado Acero Inoxidable 13% Cr, tipo 410 (Activo) Acero Inoxidable 18 8, tipo 304 (activo) Soldaduras Pb Sn Plomo Estao Metal Muntz Bronce al Manganeso Latn Naval Nquel (activo) Aleacin 76 Ni 16 Cr 7 Fe (activo) Aleacin 60 Ni 30 Mo 6 Fe (1Mn) Latn Amarillo Latn Admiralty Latn Rojo Cobre Bronce al Silicio Cupronquel 70 30 Bronce G. Soldadura de Plata Nquel (pasivo) Aleacin 76 Ni 16 Cr 7 Fe (pasiva) Acero Inoxidable 18 8. tipo 304 (pasivo) Plata Grafito Oro Noble o Catdico Platino

Tabla N 2 (Serie galvanica en agua de mar, de algu nos materiales metlicos comerciales.)


Pgina 31 de 96

II.12. PREVENCIN DE LA CORROSIN POR MTODOS ELECTROQUMICOS.

La proteccin catdica se utiliza cuando un metal se hace ms catdico o negativo, imprimindose una corriente elctrica, conectndolo con otro metal ms activo que el metal del equipo que se desea proteger. Por ejemplo, cuando un equipo de acero se conecta a una pieza de zinc, el zinc se corroe dando proteccin al fierro, en este caso el zinc es el metal andico y recibe el nombre de nodo de sacrificio, mientras que el acero funciona como ctodo recibiendo proteccin.

En el Siguiente captulo se indicar la forma en que se estudia la prevencin de la corrosin por medio de la proteccin catdica.

CAPITULO III FUNDAMENTOS BSICOS DE PROTECCIN CATODICA.

III.1. DEFINICIN DE PROTECCIN CATDICA.

La proteccin catdica se define como el mtodo de reducir o eliminar la corrosin de un metal, haciendo que, la superficie de este, funcione completamente como ctodo cuando se encuentra sumergido o enterrado en un electrlito. Esto se logra haciendo que el potencial elctrico del metal a proteger se vuelva ms electronegativo mediante la aplicacin de una corriente directa o la unin de un material de sacrificio (comnmente magnesio, aluminio o zinc). Normalmente, el mtodo es aplicable a estructuras de fierro y acero pero, tambin, se usa en grado limitado en plomo, aluminio y otros metales.

Se debe recordar que el ctodo es aquel electrodo donde se desarrolla la reaccin de reduccin y prcticamente no ocurre corrosin alguna. Antes de aplicar la proteccin catdica, las estructuras corrobles presentan reas catdicas y andicas (estas son aquellas donde la estructura se corroe). Por lo tanto, si todas las reas andicas se pudieran convertir en catdicas, la estructura completa funcionara como un ctodo y la corrosin sera eliminada.


Pgina 32 de 96

III.2. MEDIDA DE POTENCIALES.

La determinacin para saber si una estructura se encuentra adecuadamente protegida, generalmente se basa en una medida de la FEM (voltaje) entre la estructura y un electrodo de referencia.

Para la realizacin de sta, se deben hacer conexiones tanto a la estructura como al electrlito, la conexin a la estructura por proteger se puede hacer mediante una barra de acero la cual se pone en contacto con aquella, mientras que la conexin al electrlito se puede hacer con una variedad de medios, pero como el potencial se desarrollar en este punto y formar parte del valor final, se deber hacer con bastante exactitud y facilidad de reproduccin, las lecturas de la medida del potencial estructura / electrlito siempre especificarn el tipo de electrodo de referencia usado.

La conexin al electrlito se puede hacer simplemente sumergiendo un pedazo de metal dentro de aqul, este mtodo es algunas veces aceptable, por ejemplo; (a) pequeos bloques de zinc puro se pueden emplear en ciertos sistemas de agua de mar donde la exactitud es de menor importancia, (b) un simple electrodo metlico que contacte al terreno puede ser satisfactorio cuando las medidas de potencial se hacen a intervalos relativamente cortos entre las condiciones encendido y apagado de la fuente de corriente.

En general, si se emplea una media celda de referencia, las lecturas del potencial deben ser reproducibles a un grado razonable de exactitud durante ciertos periodos de tiempo. El potencial de la media celda al estar en contacto sta con el terreno o cualquier otro electrlito variar en una cantidad pequea (20 mv), dependiendo del electrlito presente, como una consecuencia de la difusin desarrollada en la unin de la celda y el electrlito. En la prctica es muy comn ignorar estas diferencias de potencial.

Cuando la corriente fluye hacia una superficie metlica, se establece un gradiente de potencial entre el nodo y la superficie protegida. Este potencial depende en cierto grado del lugar donde se coloque el electrodo de referencia, por esta razn, dicho electrodo se debe colocar lo ms cercano posible a la estructura o bien, se debe definir el criterio de proteccin de acuerdo a la geometra particular y las densidades de corriente consideradas.

Este gradiente de potencial estar en funcin tanto de la resistividad del electrlito como de la corriente, as en los muelles sumergidos en agua salada (con una resistividad de 20


Pgina 33 de 96

a 40 ohm-cm), la localizacin de la media celda se puede hacer a un pie o ms de retirado pero en los condensadores que manejan agua aereada de alta resistividad y donde se necesitan grandes cantidades de corriente, el electrodo se debe localizar a una fraccin de una pulgada de la superficie protegida.

En la medida del potencial, existen numerosos factores como la difusin del potencial, la variacin de ste debido a la temperatura y la concentracin del lquido que pueden ser causa de error, adems existen errores inherentes en el aspecto elctrico de la medida, es probable que en trabajos de campo se obtenga una exactitud no mayor de 20 milivolts.

III.3. CRITERIOS DE PROTECCIN

Cuando se aplica proteccin catdica a una estructura, es extremadamente importante saber si esta se encontrar realmente protegida contra la corrosin en toda su plenitud as que para la verificacin existen diferentes criterios.

Existen varios criterios para comprobar que la estructura en mencin est exenta de riesgo de corrosin, basados en unos casos en funcin de la densidad de corriente de proteccin aplicada y otros en funcin de los potenciales de proteccin obtenidos.

No obstante, el criterio ms apto y universalmente aceptado es el de potencial mnimo que debe existir entre la estructura y el agua de mar, generalmente se basa en una medida de la Fuerza Electromotriz (FEM), medicin que se realiza con un electrodo de referencia.

El criterio de potencial mnimo se basa en los estudios realizados por el Profesor Michael Pourbaix, en 1939, quin estableci a travs de un diagrama de potencial de electrodo Vs pH del medio, un potencial mnimo equivalente a 0.85 volts con relacin al electrodo de referencia cobre-sulfato de cobre, (Cu-SO4Cu) observando una zona definida por la inmunidad del acero.

Los criterios de potencial mnimo de proteccin que se utilizar es de 0.85 volts respecto al Cu-SO4Cu como mnimo, ya que si se alcanzan valores en oscilan entre los 0.500 a 0.600 volts el acero empezara a corroerse


Pgina 34 de 96

PH

POTENCIAL EN VOLTS

-0.

80

-0.

25

0.

80

-1.

85

-0.

80

-0.

25

ZN

1.

40

1.

80

2.

80

2.

40

Ag/A

gCl

0.

35

0.

75

1.

75

1.

35

0.

40

-1.

95

-0.

85

-0.

35

0.00

0.

20

-0.

00

-0.

20

-0.

40

-0.

60

-0.

80

-1.

00

-1.

20

-1.

40

-1.

60

Cu/C

uSO

4

0.

25

0.

65

1.

25

1.

65

H

2.

00

1.

80

1.

60

1.

40

1.

20

1.

00

0.

80

0.

60PA

SIVA

CIN

9.00

5.00

COR

RO

SIN

2.00

1.00

4.00

3.00

INM

UNID

AD

7.00

6.00

8.00

13.00

11.00

10.00

12.00

15.00

14.00

Figura N 9 Diagrama potencial-PH para el Hierro (Fe).


Pgina 35 de 96

III.4. MTODO PARA DETERMINACIN DE POTENCIALES ELCTRICOS EN PLATAFORMAS MARINAS FIJAS BASADO EN EL ELECTRODO DE REFERENCIA.

Se localiza la plataforma, la cual se va a evaluar. Se dispone de un multimetro de alta impedancia tipo Flucke-77 (ver figura N xxx),

en el cual se tienen dos conectores, uno positivo (+) y otro negativo (-), en el conector positivo se conecta la media celda de plata cloruro de plata Ag/AgCl y en el conector negativo se conecta un alambre (cable) de calibre 4 AWG, que es aterrizado en la estructura de la plataforma.

Una vez formado este circuito se introduce el electrodo de referencia (media celda de plata cloruro de plata Ag/AgCl), a diferentes profundidades hasta tocar el lecho marino, distancias de 5 metros, -10 metros, -30 metros y 40 metros, en seguida se enciende el multimetro y se coloca la perilla de control en la posicin de corriente directa (VCA), as mismo se van leyendo y registrando las lecturas de voltaje a las diferentes profundidades mencionadas anteriormente y de esta manera se conoce el nivel de proteccin catdica de la Plataforma..

En seguida se compara con el valor de potencial elctrico que recomienda el NACE para Plataformas Marinas en lodos marinos que es de 0.800 volts y en superficie de 0.850 volts, si el valor encontrado est por encima de este estndar se dice que el Ducto Ascendente est protegido, si est por debajo se dice que el ducto empieza a declinar su valor de la proteccin catdica y se previene que este valor no alcanza el potencial de corrosin del acero, que oscila entre 0.500 a 0.600 volts.

Por consiguiente se tendra que reforzar el nivel de la proteccin catdica mediante la instalacin de nodos fabricados a base de aluminio con un activador de indio para promover la activacin del nodo.

Figura N 10 Multimetro de alta impedancia.


Pgina 36 de 96

III.5. FORMAS DE PREVENCIN DE LA CORROSIN

Para prevenir la corrosin es importante la homogeneidad del material existen cuatro mtodos para evitar la oxidacin del hierro.

Mediante aleaciones del hierro que lo convierten en qumicamente resistente a la corrosin, es el ms satisfactorio pero tambin el ms caro. Un buen ejemplo de ello es el acero inoxidable, una aleacin de hierro con cromo o con nquel y cromo. Esta aleacin est totalmente a prueba de oxidacin e incluso resiste la accin de productos qumicos corrosivos como el cido ntrico concentrado y caliente.

Amalgamndolo con materiales que reaccionen a las sustancias corrosivas ms fcilmente que el hierro, quedando ste protegido al consumirse aqullas. Es igualmente satisfactorio pero tambin costoso. El ejemplo ms frecuente es el hierro galvanizado que consiste en hierro cubierto con zinc. En presencia de soluciones corrosivas se establece un potencial elctrico entre el hierro y el zinc, que disuelve ste y protege al hierro mientras dure el zinc.

Recubrindolo electrolticamente con una capa impermeable que impida el contacto con el aire y el agua, es el ms barato y por ello el ms comn. Este mtodo es vlido mientras no aparezcan grietas en la capa exterior, en cuyo caso la oxidacin se produce como si no existiera dicha capa.

Pinturas, los recubrimientos ms apreciados son los esmaltes horneados, y los menos costosos son las pinturas de minio de plomo.

Algunos metales como el aluminio, aunque son muy activos qumicamente, no suelen sufrir corrosin en condiciones atmosfricas normales.

Generalmente el aluminio se corroe con facilidad, formando en la superficie del metal una fina capa continua y transparente que lo protege de una corrosin acelerada.

El plomo y el zinc, aunque son menos activos que el aluminio, estn protegidos por una pelcula semejante de xido.

El cobre, comparativamente inactivo, se corroe lentamente con el agua y el aire en presencia de cidos dbiles como la disolucin de dixido de carbono en agua (que posee propiedades cidas), produciendo carbonato de cobre bsico, verde y poroso. Los productos de corrosin verdes, conocidos como cardenillo o ptina, aparecen en


Pgina 37 de 96

aleaciones de cobre como el bronce y el latn, o en el cobre puro, y se aprecian con frecuencia en estatuas y techos ornamentales.

Algunos trabajos experimentales han demostrado que en el caso del acero sumergido en soluciones que contengan bacterias sulfato-reductoras, el potencial de proteccin mnimo ser de 0.97 volts en lugar de 0.85 volts.

III.6. MEDIAS CELDAS DE REFERENCIA

La fuerza electromotriz (FEM) posible medirla mediante la utilizacin de una media celda de referencia en contacto con un electrolito.

Las medias celdas ms conocidas en el campo de la proteccin catdica son:

HIDROGENO O CALOMELO (H+/H2) ZINC PURO (Zn/Zn++) PLATA-CLORURO DE PLATA (Ag/AgCl) COBRE-SULFATO DE COBRE (Cu/SO4Cu)

Estas medias celdas de referencia se utilizan en diferentes tipos de mediciones ya sea por su importancia o por el tipo de medio en que se desea medir, por ejemplo:

ELECTRODO LECTURA Ag-AgCl

Cu-SO4Cu

Calomel

Zn puro

-0.800 Volts

-0.850 Volts

-0.77 Volts

+0.25 Volts

Tabla N 3


Pgina 38 de 96

III.7. ELECTRODOS DE REFERENCIA

Se ha creado, pues, una diferencia de potencial entre el metal y el electrolito. Para poder medir esta diferencia de potencial se adopt un electrodo patrn que es el electrodo normal de hidrgeno, al cual, por convencin y a cualquier temperatura, se le asign el valor cero.

Este electrodo est constituido por una lmina de platino-platinado, sobre la cual se hace burbujear hidrgeno gas a la presin de una atmsfera, sumergida en una solucin cida (electrolito), cuya actividad de iones hidrgeno a 25C es la unidad, de acuerdo con la reaccin de equilibrio:

2H++2e H2

En las condiciones mencionadas, el potencial de este electrodo es nicamente funcin del pH, segn la siguiente expresin:

E = 0.059 pH

Tomando como referencia el electrodo de hidrgeno, el potencial de un metal cualquiera sumergido en una solucin de sus iones de actividad igual a la unidad, corresponde a la fuerza electromotriz (FEM) de una pila, en la cual el semielemento metal / solucin de sus iones acta como polo positivo, o sea de ctodo, y el electrodo de H2 como polo negativo, o nodo, segn la convencin propuesta por la Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada (IUPAC), universalmente aceptada. Lo anterior lo podemos representar de una manera esquemtica como:

-Pt, H2 (1 atm)/H+(aH+ = 1)// Me

n+/Me +,

donde una barra indica la presencia de una interfase y la doble barra significa la presencia de una unin electroltica o puente salino entre ambos semielementos de la pila. En la convencin propuesta, el polo negativo o nodo se coloca en el lado izquierdo de la pila, en la forma en que tiene lugar la reaccin de oxidacin:

H2 2H++e-

Hay que resaltar que en la bibliografa norteamericana, es comn que se trabaje con potenciales de oxidacin, por lo que sern los mismos en valor absoluto, pero con el signo


Pgina 39 de 96

cambiado. Por ejemplo, el oro (Au) tiene un potencial de reduccin alto y positivo porque es fuerte su tendencia a aparecer en su estado reducido; consecuentemente, su tendencia a la oxidacin es pequea y su potencial de oxidacin es alto en valores absolutos, pero negativo.

Las dificultades operativas que se presentan en el manejo de un electrodo de hidrgeno, demasiado frgil para la mayora de las aplicaciones prcticas, han dado lugar a la utilizacin de otros electrodos de referencia que lgicamente deben de reunir determinadas condiciones. Aparte de ser manejables y de construccin sencilla, la condicin fundamental es que el potencial de equilibrio de la reaccin de xido-reduccin (redox) que tenga lugar en ellos, permanezca constante respecto al electrodo de hidrgeno. En estas condiciones, en cualquier momento se podra referir un potencial al del electrodo de hidrgeno o viceversa.

Como electrodos de referencia se utilizan los siguientes:

1) Electrodo de calomelanos. Este electrodo est formado por mercurio cubierto por una capa de cloruro insoluble (calomelanos), Hg2Cl2 en equilibrio con una disolucin de cloruro potsico, KCl, que puede ser 0.1 N, 1 N o saturada. El contacto elctrico con el mercurio se realiza por medio de un hilo de platino. Un esquema de este electrodo se presenta en la figura N 11.

PUENTE SALINO (KCL)

PUNTA CAPILAR

CONECCIN ELECTRICA

ALAMBRE DE Pt

SOLUCIN DE K Cl

HgHg2 Cl2

Figura N 11 Electrodos de referencia: a) Calomelanos saturado, EC S


Pgina 40 de 96

La reaccin del electrodo de calomelanos es:

Hg2Cl2 + 2e- 2 Hg +2 Cl-.

As pues, si el electrodo acta como nodo (-) la reaccin es hacia la izquierda, (oxidacin); si el electrodo acta como ctodo (+), la reaccin es hacia la derecha, (reduccin).

2) Electrodo de plata/cloruro de plata (Ag/AgCl). Est formado por un hilo de Ag sobre el cual se deposita AgCl, generalmente por va electroqumica, en una solucin de NaCl o KCl, en la cual el hilo de Ag acta como nodo, como se muestra en la figura N 12.

E.R DE Ag/AgCl

SOLUCIN DE K ClPUNTA CAPILAR

VARILLA DE Ag

CONECCIN ELECTRICA

PUENTE SALINO (KCL)

Figura N 12 Plata /cloruro de plata, Ag/AgCl

La reaccin electrdica es la siguiente:

AgCl + e- Ag + Cl-,

y su potencial de equilibrio a 25C es:

E = 0.2224 - 0.059 log [Cl-].

En agua de mar, el valor del potencial es aproximadamente de + 0.25 V respecto al electrodo normal de hidrgeno (ENH) a 25C. El pote ncial del electrodo depende muy especialmente de la salinidad de la solucin en la cual el electrodo est sumergido.


Pgina 41 de 96

3) Electrodo de zinc (Zn). Est constituido por un bloque de Zn de alta pureza; generalmente se utiliza una aleacin de Zn como la empleada para los nodos galvnicos de Zn de composicin como la especificada por la norma militar americana: MIL-A-18001 H (vase el cuadro 4).

Cuadro N4 Electrodos de referencia.

La reaccin electrdica es la siguiente:

Zn Zn2+ + 2e-,

y su potencial de equilibrio a 25C es:

E = -0.763 + 0.0295 log [Zn2+] V vs. ENH

El potencial en agua de mar es de cerca de -0.80 V vs. ENH.

246_proteccion catodica con anodos de sacrificio para plataformas marinas

Documents