Corrosión de materiales

Química. Oxidación. Naturaleza electroquímica. Circuito eléctrico. Electrolito. Conductividad. Dióxido de carbono. Variables físicas

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La Corrosión.

Podemos definir la corrosión como el deterioro que sufre un material (habitualmente un metal) en sus propiedades debido a una reacción con el medio. Si se pretenden comprender los métodos de control de la corrosión es necesario describir primero en un cierto grado de profundidad las reacciones y los factores que influyen en el fenómeno.

La mayoría de los metales se encuentran en estado natural formando parte de minerales, ya sea como oxido o metales. El mineral común de hierro se asemeja al herrumbre, este es convertido a fierro metálico mediante el empleo de energía y esta misma energía es la que se libera cuando el hierro se convierte en herrumbre debido a al corrosión en efecto, es la energía que guarda el metal durante el proceso de refinación lo que hace posible el proceso de corrosión.

El fenómeno corrosión puede ser definido también como el deterioro de los materiales, a causa de alguna reacción con el medio ambiente en que son usados. Este fenómeno no siempre involucra un cambio de peso o un deterioro visible, ya que muchas formas de corrosión se manifiestan por un cambio de las propiedades de los materiales, disminuyendo su resistencia.

El caso de las aleaciones metálicas y particularmente el del acero el más ampliamente difundido; en estos casos la corrosión se debe detallar con mas precisión basándose en la estructura atómica de la materia.

En este caso el átomo esta formado por un equilibrio de cargas positivas llamadas protones y de cargas negativas llamadas electrones ; los materiales tienden a perder electrones o en otras palabras cierta energía, formando un ión positivo, la cual se separa del metal perdiendo masa. Esto sucede cuando normalmente al entrar un metal en contacto con un electrolito (medio conductor de corriente) dando lugar a reacciones electroquímicas de oxidación y reducción. Decimos entonces, que ha comenzado un proceso de corrosión en medio húmedo con una circulación simultánea de corriente eléctrica, normalmente denominada pila galvánica. Como hemos vistos, en el caso particular del acero han aparecido algunos nuevo conceptos que toman parte del proceso de corrosión, lo que nos lleva a una definición más especifica:

Corrosión es un proceso de destrucción o deterioro electroquímico de un metal por acción y reacción de éste con el medio que lo rodea (reacciones de oxidación y reducción simultánea).

Naturaleza electroquímica de la corrosión.

Los problemas de corrosión que ocurren en la producción industrial son debidos a la presencia de agua. Estando esta presente en grandes o pequeñas cantidades siempre será necesaria para el proceso de corrosión. A causa de lo anterior ,entonces la corrosión en presencia de agua es un proceso electroquímico, lo cual quiere decir que hay flujo de corriente eléctrica en el proceso de corrosión y para que esto fluya tiene que existir una fuerza impulsora, la cual actúa como una fuente potencial y con esto se completa el circuito eléctrico.

La fuente potencial en este proceso es la energía almacenada por el metal durante el proceso de refinación. Según el metal es la cantidad de energía en su refinación y por eso tendrán diferentes tendencias a corroerse.

La magnitud de esta fuerza impulsora generada por el metal cuando esta en contacto con una solución acuosa se llama potencial del metal. Este valor se relaciona con la energía que se libera cuando el metal se corroe.

Circuito eléctrico de la corrosión.

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

  • Ánodo.

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

  • Cátodo.

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

  • Electrolito.

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

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

    Composición del electrolito.

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

    Afortunadamente tenemos dos agentes oxidante en la mayoría de los problemas, ellos son el ión hidrógeno y el óxido molecular. Las medidas para combatir la corrosión dependen del sistema que participe en la celda, por lo tanto lo primero que sec debe hacer es definir las reacciones catódicas que participan.

    Conductividad.

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

    PH.

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

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

    Gases disueltos.

    El oxigeno, dióxido decarbono y el ácido sulfhídrico disuelto en agua aumenta la corrosividad de esta, por lo tanto, los gases son la principal causa de los problemas de corrosión.

    Oxigeno disuelto.

    De los gases disueltos es el peor de todos, basta con una pequeña concentración y puede producir una corrosión severa y si uno de los otros gases disueltos esta presente aumenta la corrosión.

    El oxígeno siempre acelera la corrosión ya que es un oxidante fuerte y se reduce rápidamente en el cátodo, lo que significa que se combina muy fácil con los electrones del cátodo, con lo cual la velocidad de corrosión estará limitada con la rapidez con este gas se difunde desde el ceno electrolito a la superficie del metal.

    Dióxido de carbono disuelto.

    Si el dióxido de carbono se disuelve en agua se forma ácido carbónico, disminuyendo el ph de la solución y aumentando su corrosividad. Tanto este como el oxigeno causan un picado y la corrosión causada por el dióxido de carbono se conoce como corrosión suave.

    Ácido sulfhídrico Disuelto.

    El ácido sulfhídrico es muy soluble con agua y se comporta como un ácido débil y causa un picado. La presencia de este se conoce como una corrosión ácida. La unión de este con el dióxido de carbono es mas agresiva que el ácido sulfhídrico solo y esta combinación es la que se encuentra en los pozos petrolíferos. Si en estas condiciones se presenta una pequeña cantidad de oxigeno, el resultado es desastroso

    Variables físicas.

    Temperatura.

    Al igual que las reacciones químicas, la velocidad de corrosión aumenta generalmente con la temperatura; la velocidad se duplica por cada diez grados centígrados que aumenta la temperatura.

    Una excepción de esto podría ser en un sistema abierto a la atmósfera la velocidad de corrosión inicial aumenta disminuyendo posteriormente si la temperatura se aumenta.

    Presión.

    La presión afecta la velocidad de las reacciones químicas en la que participan gases y por consiguiente las reacciones de corrosión no son una excepción.

    Celda electroquímica de corrosión.

    ELECTROLITO CIRCUITO

    EXTERNO

    OXIDO

    ANODO CATODO

    CIRCUITO

    INTERNO

    METAL

    Ánodo: El metal que se corroe.

    Cátodo: El metal protegido.

    Electrolito: El medio conductor de corriente entre el cátodo y el ánodo.

    Métodos preventivos para la corrosión.

    La tendencia de los metales a corroerse es un hecho natural y permanente. El problema radica en controlar este efecto destructivo con la mayor economía posible, en la forma técnicamente adecuada, optimizando los recursos existentes. Son cinco los principales métodos para esto; pero son cuatro los mas usados:

    • Eliminación de los elementos corrosivos.

    • Mejores materiales de construcción, resistente a la corrosión.

    • Protección eléctrica.

    • Colocar una barrera entre el material y el ambiente

    • Sobre-dimencionamiento de las estructuras.

    Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas y desventajas, y cierta área de uso en la cual es el más económico.

    Eliminación de los elementos corrosivos.

    Este procedimiento abarca, evitar descargas accidentales de líquidos corrosivos o agregando inhibidores a líquidos dentro de circuitos cerrados.

    El uso de inhibidores químicos normalmente se restringe a sistemas de circulación o abastecimiento de agua, a líneas de vapor y condensado y a líneas de salmuera. Como todos estos sistemas actúan por inmersión en soluciones, su uso en el campo de la manutención es limitado. Además de ello, deberán tenerse precauciones en cuanto al tipo y cantidad de los productos químicos agregados como inhibidores. Una mala selección de ello o la manutención inadecuada de las concentraciones puede acelerar mas la corrosión que evitarla. Sin embargo, si se usa en buena forma dentro de su campo limitado ayudaran eficientemente a minimizar al problema a un costo relativamente bajo. El procedimiento de alterar el ambiente engloba también otros sistemas, como por ejemplo la instalación de sistemas de aire acondicionado o el uso de disecantes para mantener un ambiente seco. Este ultimo es solamente una protección temporal.

    Materiales resistentes a la corrosión.

    Principalmente a su bajo costo y sus buenas propiedades mecánicas, el fierro y el acero, son los materiales mas ampliamente usados en construcción industrial. Desafortunadamente, estos materiales n la mayoría tienden a corroerse y a volver a su estado primitivo. Por ello en ciertos casos de corrosión, se prefiere el empleo de materiales menos activos o aleaciones especiales, para retardar el proceso de degradación. En solicitaciones en extremo severas esta es la única solución posibles.

    El trabajo a alta temperatura, combinado con elementos químicos altamente corrosivos, produce una solicitación demasiado severa para los materiales o las protecciones corrientes, y en este caso el alto costo inicial de estos productos o aleaciones especiales, es fácilmente justificable por el largo periodo en que prestan servicios satisfactorios.

    Entre los metales comúnmente usados en aleaciones con aceros se encuentra: el Cromo, el Cobre, el Níquel y el Molibdeno. En otros casos se usan metales como Aluminio, cuyo precio es muy razonable. Materiales menos comunes como Titanio y Tantalio se emplean solamente bajo condiciones muy severas. La decisión sobre cual de estos materiales se usar o que tipo de protección se empleara, dependerá en gran parte del tipo de protección se empleara, dependerá en gran parte del tipo de ambiente y del costo de los métodos de alternativa.

    Además de las aleaciones especiales se usa hoy en día una gran cantidad de materiales plásticos.

    Protección catódica.

    La protección catódica se puede definir como una técnica que reduce la corrosión de una superficie metálica, haciendo circular por la misma superficie corriente catódica, de tal forma que la velocidad de la disolución anódica llega a ser despreciable. Desde un punto de vista simple, corresponde al empleo de corriente continua proveniente de una fuente externa, que se opone a una corriente de corrosión en las áreas anódicas de una estructura metálica sumergida en un medio conductor, o electrolito, tal como el suelo o el agua. Cuando un sistema catódico esta instalado en forma apropiada, toda la porción de estructura protegida, recoge corriente del electrolito que la rodea y toda la superficie expuesta se comporta como una sola área catódica; de aquí su nombre.

    Por consiguiente, la protección catódica es aplicable sólo al control de la corrosión que resulta de un flujo medible de corriente directa desde una porción de la estructura, a través de un electrolito, a otra porción de la estructura. Esta corrosión es de naturaleza electroquímica y el área anódica, cuando la corriente se descarga en el electrolito, se corroe. Obviamente el área catódica recoge la corriente y no se corroe la protección catódica.

    Para entender la protección catódica y sus aplicaciones, es necesario primero comprender las causas y el fundamento electroquímico de la corrosión.

    Corrosión electroquímica.

    Al sumergir un metal en un electrolito ocurren dos tipos básicos de corrosión electroquímica, el primero de ellos en forma natural, el segundo por la mano del hombre. Este último se conoce frecuentemente como electrólisis, a pesar de que este término se emplea erróneamente para cubrir ambos tipos.

    Electrólisis o llamada también corriente de corrosión dispersa, es el resultado de una descarga de corriente eléctrica directa en el suelo o en el agua por conductores eléctricos o por instalaciones de protección catódica. Cuando estas corrientes son recolectadas desde el electrolito por una área de la estructura metálica, que no es una parte del conductor eléctrico o del sistema eléctrico de protección catódica, y se descarga sobre otra porción de la estructura, ocurre corrosión electroquímica en el área de la descarga y un grado de protección catódica resulta en el área recolectora de la estructura.

    Esta corrosión, de un metal en el suelo o en agua, de naturaleza electroquímica, es el tipo más común y una de las formas de combatirla es la protección catódica.

    Principios de protección catódica.

    La corriente de corrosión electroquímica se puede revertir con una apropiada aplicación de una protección catódica, la cual hace que la estructura sea completamente catódica, anulado las áreas anódicas naturales mediante corriente directa impresa en la estructura desde un sistema anódico externo y más poderoso.

    La corriente de corrosión electroquímica del ánodo al cátodo se reemplaza por la corriente desde un ánodo auxiliar.

    La protección catódica no elimina necesariamente la corrosión, sino que transfiere la corrosión desde una estructura bajo protección concentrándola en otro lugar conocido en donde la descarga de corriente anódica o el ánodo puede ser diseñado para una gran duración y/o reemplazado fácilmente.

    La protección catódica sirve sólo si la superficie del metal expuesto tiene el mismo electrolito que el ánodo. Por ejemplo, la protección catódica aplicada al exterior de un estanque de agua salada no tiene efecto en su corrosión interna y viceversa.

    Existen dos formas de entregar la corriente para la protección catódica y éstas, debido a que son muy diferentes, se discutirán en forma separada.

    • Ánodos galvánicos, acoplados directamente a la estructura que se protegerá.

    • Ánodos de corriente impresa, los cuales son relativamente inertes y requieren una fuente de poder de corriente directa externa para forzar el flujo de corriente.

    Ánodos galvánicos.

    Los ánodos galvánicos o de sacrificio, son aleaciones de alta pureza de magnesio, cinc y aluminio, los cuales exhiben potenciales lo suficientemente altos que desarrollan usualmente un flujo de corriente a través del electrolito hacia la estructura a proteger.

    El empleo de aleaciones de aluminio como ánodos galvánicos en la actualidad está limitado al agua de mar o a salmueras en donde funcionan muy bien. Se han realizado ensayos de empleo de ánodos de aluminio en ampliaciones de suelos, pero se ha encontrado que no son prácticos para este tipo de trabajo.

    Los ánodos de magnesio son los de uso más amplio en aplicaciones de suelo, debido a su elevado potencial impulsor. Los ánodos de cinc encuentran su mayor aplicación en agua y en suelos de baja resistividad.

    En general los ánodos galvánicos se emplean cuando la cantidad de corriente protectora que se necesita es pequeña o debe estar bien distribuida, por ejemplo a lo largo de una tubería desnuda. Sin embargo, existen límites, el agua y el suelo deben tener la suficiente baja resistividad como para que la corriente generada por el ánodo sea de uso práctico. Por otra parte, los sistemas de corriente impresa, son capaces de generar mucho más corriente en un medio dado, pero requiere una fuente de poder externa.

    En cualquier instalación de protección catódica, es importante que los ánodos estén instalados apropiadamente, lo cual significa un ánodo y el suelo que lo rodea. Cuando es posible, el ánodo se debe ubicar en suelos de baja resistencia tales como barro.

    Por último se pueden desarrollar lentamente, películas calcáreas en estructura protegidas catódicamente con el paso del tiempo. Aunque ellas, desde un punto de vista convencional, son recubrimientos pobres, pueden reducir los requerimientos de corriente en un 50% o más de una gran ayuda en la protección catódica enterradas.

    Ventajas y desventajas de la corriente impresa.

    Las principales ventajas que se derivan del tiempo de corriente impresa sobre la técnica de ánodos de sacrificio son las siguientes:

    • Utilización de menor número de ánodos y larga duración con las ventajas que ello supone a trabajos de inspección y mantenimiento del sistema de protección catódica.

    • Posibilidad de alcanzar, sin grandes dificultades, el potencial e intensidad de corriente de protección, aún en medios poco conductores.

    • Fácil ajuste del potencial de protección, frente a condiciones cambiantes del medio, particularmente en el caso de los sistemas automáticos.

    Entre los inconvenientes figuran:

    • Costos de instalación más elevados, necesitando una fuente externa de corriente.

    • Posibilidad de causar interferencia con estructuras metálicas vecinas.

    • Peligro de sobre protección en zonas próximas a los ánodos.

    • Exige tanto para su instalación como para los trabajos de inspección y mantenimiento la presencia de técnicas especializadas.

    Un cuidadoso estudio de cada caso, tomado en consideración los factores económicos, tales como costos de aplicación y mantenimiento, vida útil del sistema, y circunstancias experimentales imperantes, decidirán el sistema.

    Inspección visual.

    Por supuesto que es posible en muchos casos tener una observación visual directa de la efectividad de la protección catódica, o sino instalar probetas de ensayo del mismo metal en la estructura protegida, con el fin de efectuar periódicos chequeos del grado de efectividad de la corriente protectora aplacada.

    Barreras de protección.

    Todas las medidas de protección que hemos descrito anteriormente tendrán una evidente ventaja en problemas o áreas bien individuales dentro de una planta industrial normal, sin embargo, para una protección generalizada dentro de la planta lo que ha ganado la mayor aceptación es la barrera, es decir, la aislamiento que evite la penetración de los agentes corrosivos.

    Es sin lugar a dudas el más usado por su versatilidad y efectividad, siendo suficiente en la gran mayoría de los casos. Consiste, en términos generales, en aislar la superficie del ambiente, de los agentes corrosivos, mediante una barrera impermeable. Específicamente significa revestirla con una pintura o recubrimiento. Estos materiales son responsables de la protección de la vasta mayoría de las superficies metálicas, además de los concretos en práctica en todas las plantas industriales. Como tales son las principales armas que el hombre dispone contra la corrosión y son por consiguiente un ítem importante dentro de la manutención general. Pueden variar de películas relativamente delgadas de pinturas hasta del ladrillo de 12” de espesor en estanques. Cada material tiene su propia área de uso, aunque muchos se translapan en sus aplicaciones. Es por ello necesario evaluar cuidadosamente las condiciones existentes y los materiales que podrán usarse antes de decidir el sistema más adecuado de protección.

    No solamente es importante seleccionar una barrera adecuada para cumplir los requisitos en una situación dada, sino que es de igual importancia también, especificar la preparación de la superficie, la técnica de aplicación y más aún, el controlar que esto sea realmente repetido en terreno. Hay a disposición una variedad amplia de materiales, equipos y procedimientos disponibles. El comportamiento de un revestimiento frente a un eventual problema de corrosión, dependerá de la correcta aplicación sobre cada punto y de un buen control de las operaciones durante su aplicación.

    Esta “Teoría de la barrera”, es fácil de visualizar pero no olvidemos que la corrosión es una reacción electroquímica. Una película de revestimiento protege realmente los sustratos de metal de tres formas:

    • Los revestimientos pueden disminuir la tarea de difusión de agua y el oxígeno del ambiente hacia la superficie de metal. Esto limita el electrolito disponible para completar el patrón de la corrosión.

    • La capa de pintura puede disminuir la tasa de difusión de productos de corrosión desde la superficie del metal a través de la película de pintura. Este importante paso lento limita el flujo electrónico que es la corrosión

    • Los pigmentos anticorrosivo que contiene un primario formulado cambia las propiedades de la superficie de metal base. El resultado de este cambio es que el metal desarrolla una alta resistencia eléctrica que bloquee el proceso de corrosión. Diferentes pigmentos llevan a cabo esta tarea de distintas maneras. Algunos se pegan a la superficie de metal de tal manera que bloquean la capacidad del oxígeno para recoger electrones. Otros crean películas de óxido tan gruesas que son malas conductoras de electrones. Los otros reaccionan con iones de la superficie como los clorhídricos o los sulfatos para formar sales insolubles, impidiendo el efecto pernicioso de estos contaminantes.

    En resumen, las pinturas funcionan porque le dan un paso lento a la reacción corrosiva. Esta reducción en la tarea de flujo de corriente en el proceso electroquímico de corrosión, disminuye sustancialmente la velocidad a la cual se corroe el metal.

    Es opinión generalizada que una adecuada preparación superficial contribuye más que ningún otro factor al éxito de los sistemas protectores de pintura. Esto es particularmente cierto tratándose de esquemas de pinturas de alta calidad y resistencia química, cuyo requisito imprescindible es su aplicación sobre sustratos límpios y adecuadamente preparados.

    Sobredimensinamiento.

    Este método consiste básicamente en usar partes estructurales sobredimensionadas en espesor, anticipándose a pérdidas de material debidas a fenómenos de corrosión.

    Este método se usaba mucho antiguamente, pero hoy en día existe una tendencia a usar estructuras cada vez más livianas pero mejor protegidas contra la corrosión. La principal desventaja del sobredimensiomaniento es que además de ser de costo alto, nadie puede predecir cuánto será la velocidad de corrosión ya que no se tiene normalmente control sobre las condiciones ambientales, siendo suficiente un leve cambio para producir una alteración en la velocidad de corrosión.

    Introducción.

    La corrosión es un deterioro que se encuentra permanente en nuestro diario vivir, lo podemos encontrar en nuestros hogares, trabajos e incluso en la calle. Es normal que en nuestros hogares encontremos mas de una herramienta o la misma reja que se ha deteriorado a causa de la corrosión y debemos detenerla. De igual manera se pudo apreciar hace muy poco la presencia de esta en las pasarelas, las cuales a causa del medio que la rodea se produjo un gran desastre.

    A causa del daño que se puede producir por la presencia de la corrosión podemos encontrar diversos centros, tanto universidades, asociaciones industriales, industrias y centros científicos; los cuales estudian este proceso para llegar a una solución a métodos que prevengan este problema.

    A continuación entonces daremos a conocer parte importante de esta; qué es en si la corrosión, naturaleza, los tipos de corrosión y los métodos para combatirla.

    Conclusión.

    Luego de haber finalizado el siguiente trabajo puedo concluir que este fenómeno trae consigo diversos factores, los cuales intervienen en el proceso natural de los metales por volver a un estado natural, dentro de los ya mencionados como; la conductividad, el ph, los gases disueltos. Otras variables que también influyen pueden ser la temperatura y la presión.

    Una de las complejidades que podemos encontrar en la corrosión, la variadas formas que se puede presentar al momento de atacar y su clasificación la podemos determinar según la naturaleza del medio corrosivo.

    La parte mas estudiada de este proceso es la forma de prevenir este problema, por medio de estudios aplicados a los materiales, a pinturas, la parte eléctrica del material y la manera de aislar los materiales del medio.

    La corrosión trae consigo un significativo costo en los estudios, el éxito de estos dependerá si es capaz de controlar el fenómeno, dando una vida útil al metal y reduciendo costos de manutención y reparación.