CORROSIÓN. ANÁLISIS DE FALLA

INTRODUCCIÓN

 La corrosión es un proceso que efectivamente puede comprometer la integridad de muchos tipos de metales como acero, hierro y cobre. La corrosión es un proceso que resulta de una reacción química entre un metal y su entorno. De acuerdo con la lista de control de la corrosión, existen varios factores conocidos que influyen o favorecen la misma. El entorno en el que se encuentra un metal, la tensión residual de su fabricación, su forma, su compatibilidad con otros materiales, así como el movimiento o las vibraciones, son todos factores que pueden favorecer la corrosión. Existen varios dispositivos y métodos para controlar o prevenir un material de la corrosión.

CORROSIÓN

La Corrosión supone una pérdida de material metálico a partir de una pila electroquímica que se forma entre dicho elemento metálico y otro material próximo; suele aparecer como consecuencia de un proceso de oxidación-reducción y afecta a todos los metales, especialmente al acero por su contenido en hierro.

Existen las siguientes variantes:

• Oxidación previa
 Se da especialmente en elementos estructurales, de cerrajería o auxiliares de los cerramientos, que no tienen protección y carecen de la ventilación suficiente.

• Aireación diferencial
 Aparece en zonas de humedad continua, adyacentes a otras de secado más fácil; las húmedas se corroen.

• Inmersión
 Aparición de hidróxido que se disuelve en función del Ph del agua, perdiéndose material.

• Par Galvánico
 Se da en elementos de cerrajería y carpintería, cuando están en contacto con otros metales, con corrosión puntual.

La corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímica por su entorno. De manera más general, puede entenderse como la tendencia general que tienen los materiales a buscar su forma más estable o de menor energía interna. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, de la salinidad del fluido en contacto con el metal y de las propiedades de los metales en cuestión. Otros materiales no metálicos también sufren corrosión mediante otros mecanismos. El proceso de corrosión es natural y espontáneo.

La manera de corrosión de los metales es un fenómeno natural que ocurre debido a la inestabilidad termodinámica de la mayoría de los metales. En efecto, salvo raras excepciones (el oro, el hierro de origen meteorítico), los metales están presentes en la Tierra en forma de óxidos, en los minerales (como la bauxita si es aluminio o la hematita si es hierro). Desde la prehistoria, toda la metalurgia ha consistido en reducir los óxidos en bajos hornos, luego en altos hornos, para fabricar el metal. La corrosión, de hecho, es el regreso del metal a su estado natural, el óxido.

La corrosión se divide en 2 clases:

•  La corrosión se llama seca cuando el ataque se produce por reacción química, sin intervención de corriente eléctrica. La corrosión química se produce cuando un material se disuelve en un medio líquido corrosivo hasta que dicho material se consuma o, se sature el líquido.

•  Se llama húmeda cuando es de naturaleza electroquímica, es decir que se caracteriza por la aparición de una corriente eléctrica dentro del medio corrosivo. La corrosión electroquímica se produce cuando al poner ciertos metales con alto numero de electrones de valencia, con otros metales, estos tienden a captar dichos electrones libres produciendo corrosión.

• TIPOS DE CORROSIÓN:

•  SEGÚN SU PROCESO

•  Bacteriana:  Degradación de los metales debidos a microorganismos. Ej.: Ferrobacterias, Carbonato reductoras.

•  Galvánica: La corrosión galvánica se presenta por el contacto entre dos metales con potenciales de oxidación diferentes. El material menos noble (con menor potencial de oxidación) tenderá a corroerse; ambos metales poseen potenciales eléctricos diferentes que causa un flujo de corriente entre ellos lo cual favorece la aparición de un metal como ánodo y otro como cátodo estando unidos en presencia de un electrolito; a mayor diferencia de potencial el material con mas activo será el ánodo. El metal más activo padece una corrosión mas acelerada, mientras que la corrosión en los miembros menos activos se retarda o se elimina. Por ejemplo, Esto lo vemos muy a menudo en algunos tornillos que remachan estructuras bastante más nobles que ellos.  

•  Por erosión:  Es una aceleración en la velocidad de ataque corrosivo, debido al movimiento relativo entre un fluido y una superficie metálica.Ocurre cuando el metal es sometido en un medio corrosivo y un proceso de desgaste mecánico.Cuando el movimiento de un corroyente sobre una superficie del metal, aumenta la velocidad del ataque debido al desgaste mecánico y a la corrosión, este ataque se llama Corrosión por Erosión.La corrosión por erosión tiene generalmente el aspecto de hoyos pequeños lisos. El ataque puede también exhibir un patrón dirección al relacionado con la trayectoriatomada por corroyente.La corrosión por erosión prospera en condiciones de alta velocidad, turbulencia,choque, etc. De manera frecuente, se ve en bombas, mezcladores y tuberías particularmente en curvas y codos. Este material generalmente, aunque no siempre, debe tener resistencia a la corrosión superior incluso en condiciones estancadas, además de ser más duro.

•  Química: Es aquella que ocurre cuando el cuerpo metálico y el agente corrosivo estan en contacto directo. Se trata de reacciones de oxido-reducción directa en la que no hay corrientes electricas que recorran  el metal 
• Electroquímica: La corrosión electroquímica es un proceso espontáneo que denota siempre la existencia de una zona anódica (la que sufre la corrosión), una zona catódica y un electrolito, y es imprescindible la existencia de estos tres elementos, además de una buena unión eléctrica entre ánodos y cátodos, para que este tipo de corrosión pueda tener lugar. La corrosión más frecuente siempre es de naturaleza electroquímica y resulta de la formación sobre la superficie metálica de multitud de zonas anódicas y catódicas; el electrolito es, en caso de no estar sumergido o enterrado el metal, el agua condensada de la atmósfera, para lo que la humedad relativa deberá ser del 70%.

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• SEGÚN SU MORFOLOGÍA

•  Uniforme: Es un proceso de remoción uniforme de la superficie del Metal. El medio corrosivo debe tener el mismo acceso a todas las partes de la superficie del metal, en donde la corrosión química o electroquímica actúa uniformemente sobre toda la superficie del metal. La corrosión uniforme es la más común y la que genera mayores pérdidas de material. Sin embargo, al ser de tipo superficial es también la más fácil de controlar y por tanto la que menos accidentes provoca. La corrosión atmosférica es el mejor ejemplo. Otro ejemplo es el ataque de un acero por una solución ácida.

•  Intergranular o Intercristalina:Es la que se encuentra localizada en los límites de grano, esto origina perdidas en la resistencia que desintegran los bordes de los granos.Los aceros inoxidables, contienen un importante porcentaje de carbono, lo cual lo hace estable y se fusiona muy bien con el carburo de cromo.Sin embargo, cuando se somete el metal a un tratamiento térmico sobre los 1000°Cy un posterior templado, el carburo de cromo de descompone.Cuando el acero es sometido a malos tratamientos térmicos, los átomos de carbono tienden a precipitar en la frontera reticular como carburos de cromo. Esta situación hace que la concentración de carburo de cromo sea mayor en la frontera reticular que en zonas contiguas a los mismos, lo que genera una difusión entre deeste material entre una zona y otra. Esto da como resultado la disminución a la resistencia a la corrosión. Este fenómeno se llama sensibilización.La sensibilización hace que el acero inoxidable quede expuesto a la corrosión intergranular cuando esta en ambientes corrosivos. En algunos casos también reduce la resistencia a los fenómenos de corrosión por picadura o grieta y en otro la corrosión bajo tensión.

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•  Por picaduras: La corrosión por picaduras es un fenómeno localizado que se manifiesta por anomalías (agentes químicos) que crecen rápidamente hacia el interior del material y que pueden generar daños catastróficos.Es una forma extremadamente localizada de ataque que resulta en huecos en el metal. Estos huecos suelen ser de tamaño pequeño y aparecen pegados unos con otros dando la impresión de poros. Causa que equipos fallen pues con poca perdida de material producen perforaciones.Las cavidades que se forman pueden variar en cantidad, tamaño y forma. Las picaduras pueden contribuir de manera importante a una falla general, en componentes sujetos a esfuerzos muy altos, dando como consecuencia la falla por corrosión bajo tensión. El picado se puede presentar en varios metales yaleaciones, pero los aceros inoxidables y las aleaciones de aluminio son susceptibles en especial a este tipo de degradación.

CARACTERÍSTICAS

 La característica fundamental de este fenómeno, es que sólo ocurre en presencia de un electrolito, ocasionando regiones plenamente identificadas, llamadas anódicas y catódicas: una reacción de oxidación es una reacción anódica, en la cual los electrones son liberados dirigiéndose a otras regiones catódicas. En la región anódica se producirá la disolución del metal(corrosión) y, consecuentemente en la región catódica la inmunidad del metal.

CELDA GALVANICA

La celda galvánica o celda voltaica, denominada en honor de Luigi Galvani y Alessandro Volta respectivamente, es una celda electroquímica que obtiene la energía eléctrica a partir de reacciones redox espontáneas que tienen lugar dentro de la misma. Por lo general, consta de dos metales diferentes conectados por un puente salino, o semi-celdas individuales separados por una membrana porosa. Volta fue el inventor de la pila voltaica, la primera pila eléctrica.

En el uso común, la palabra pila es una celda galvánica única y una batería propiamente dicha consta de varias celdas, conectadas en serie o paralelo

Una celda galvánica consta de dos semipilas (denominadas también semiceldas o electrodos). En su forma más simple, cada semipila consta de un metal y una solución de una sal del metal. La solución de la sal contiene un catión del metal y un anión para equilibrar la carga del catión. En esencia, la semipila contiene el metal en dos estados de oxidación, y la reacción química en la semipila es una reacción redox, escrito simbólicamente en el sentido de la reducción como:

M ⁿ⁺ (especie oxidada) + n e^-  M (especie reducida)

En una pila galvánica de un metal es capaz de reducir el catión del otro y por el contrario, el otro catión puede oxidar al primer metal. Las dos semipilas deben estar separadas físicamente de manera que las soluciones no se mezclen. Se utiliza un puente salino o una placa porosa para separar las dos soluciones.

El número de electrones transferidos en ambas direcciones debe ser el mismo, así las dos semipilas se combinan para dar la reacción electroquímica global de la celda. Para dos metales A y B:

A ⁿ⁺ + n e^-  A

B ^m+ + m e^-  B

m A + n B ^m+  n B + m A ⁿ⁺

Esto no es toda la historia ya que los aniones también deben ser transferidos de una semicelda a la otra. Cuando un metal se oxida en una semipila, deben transferirse aniones a la semipila para equilibrar la carga eléctrica del catión producido. Los aniones son liberados de la otra semipila cuando un catión se reduce al estado metálico. Por lo tanto, el puente salino o la membrana porosa sirven tanto para mantener las soluciones separadas como para permitir el flujo de aniones en la dirección opuesta al flujo de electrones en el cable de conexión de los electrodos.

El voltaje de la pila galvánica es la suma de los potenciales de las dos semipilas. Se mide conectando un voltímetro a los dos electrodos. El voltímetro tiene una resistencia muy alta, por lo que el flujo de corriente es realmente insignificante. Cuando un dispositivo como un motor eléctrico se conecta a los electrodos fluye una corriente eléctrica y las reacciones redox se producen en ambas semipilas. Esto continuará hasta que la concentración de los cationes que se reducen se aproxime a cero.

Para la pila Daniell, representada en la figura, los dos metales son zinc y cobre y las dos sales son los sulfatos del metal correspondiente. El zinc es el metal más reductor de modo que cuando un dispositivo se conecta a ambos electrodos, la reacción electroquímica es

Zn + Cu²⁺  Zn²⁺ + Cu

El electrodo de zinc se disuelve y el cobre se deposita en el electrodo de cobre. Por definición, el cátodo es el electrodo donde tiene lugar la reducción (ganancia de electrones), por lo que el electrodo de cobre es el cátodo. El anodo atrae cationes, que tienen una carga positiva., por lo que el anodo es el electrodo negativo. En este caso el cobre es el cátodo y el zinc es el ánodo.

Las celdas galvánicas se usan normalmente como fuente de energía eléctrica. Por su propia naturaleza producen corriente. Por ejemplo, una batería de plomo y ácido contiene un número de celdas galvánicas. Los dos electrodos son efectivamente plomo y óxido de plomo.

La celda Weston se adoptó como un estándar internacional para el voltaje en 1911. El ánodo es una amalgama de mercurio (elemento) y cadmio, el cátodo está hecho de mercurio puro, el electrólito es una solución (saturada) de sulfato de cadmio y el despolarizador es una pasta de sulfato de mercurio (I). Cuando la solución de electrólito está saturada el voltaje de la celda es muy reproducible, de ahí su uso como un estándar.

ANÁLISIS DE FALLA

Para determinar el mecanismo de falla que se presente en un determinado caso, se recomienda llevar acabo análisis metalográficos, de composición química de residuos de corrosión o depósitos si los hay y de composición del agua de alimentación y del combustible, esto para detectar posibles degradaciones de los tubos por  sobre temperatura, identificar especies químicas corrosivas o corroborar materiales. Las calderas al ser recipientes a presión deben construirse bajo normas especializadas, de las cuales las generadas por la ASME son las más frecuentemente utilizadas en nuestro medio.

El caso del que se ocupa el presente trabajo corresponde al de una central termoeléctrica a carbón, donde se presentaron  fallas recurrentes en una caldera acuatubular que alimenta una turbina de 165 MW, consistentes en agrietamientos en algunos tubos del evaporador, específicamente en las zonas dobladas de los mismos alrededor de las mirillas del hogar, figura 1, la falla en algunos casos no solo involucró a los tubos agrietados, sino también tubos adyacentes que fueron erosionados por los chorros de vapor que emanaron de las grietas, figura 2. La caldera lleva operando a la fecha ocho años y los problemas de agrietamiento comenzaron su aparición a los cuatro; los tubos que han fallado han sido reemplazados en paradas no programadas del generador con los sobre costos propios de esta situación, por lo cual se inició el estudio que es este trabajo se resume, cuyos objetivos fueron el determinar el mecanismo de falla de los tubos, su causa raíz y generar las recomendaciones necesarias para minimizar la recurrencia de la falla en el futuro. 

Para tal efecto se llevaron acabo estudios de composición química, metalografía, fractografía, dureza y microanálisis EDS sobre las zonas falladas de algunos de los tubos suministrados y en zonas similares de otros tubos, lográndose determinar el mecanismo de falla y establecer su causa raíz en un problema de fabricación siderúrgico de los tubos, lo cual se describe a continuación.

2. DESARROLLO EXPERIMENTAL

 En el laboratorio se analizaron dos tubos agrietados, el primero generó falla a los cuatro años de servicio y el segundo a los seis, además se estudiaron otros ocho tubos extraídos de las mismas zonas de falla (mirillas), sobre los cuales se hicieron los siguientes análisis.

2.1 Inspección Visual y Fractografía 

Los agrietamientos se presentaron en la zona doblada de los tubos alrededor de las mirillas, cuyas superficies de grietas son intergranulares. El interior de las tuberías en las zonas agrietadas y en las zonas dobladas de aquellas tuberías no agrietadas, presentó picaduras por corrosión, las cuales también se encontraron en zonas no dobladas, pero en menor densidad y profundidad.

2.2 Metalografía 

El material de los tubos en sección metalográfica muestra una estructura ferrito – perlítica sin signos de degradación estructural por temperatura (como globulización o grafitización) y se evidencia que desde las picaduras emanan grietas de naturaleza intergranular, como las que generaron los escapes de vapor.

2.3 Composición EDS de Residuos de la Corrosión 

En microscopio electrónico se utilizó una sonda EDS para determinar la composición química elemental de los productos de la corrosión presentes en el interior de las picaduras, encontrándose principalmente oxígeno e hierro, de lo que se puede deducir que las picaduras son producto del ataque del oxígeno disuelto en el agua. 

2.4 Durezas 

Se tomaron lecturas de dureza en escala Rockwell B en el material de los tubos, tanto en las zonas dobladas que fueron las que experimentaron los agrietamientos y las picaduras como en zonas rectas,

2.5 Composición Química del Acero de los Tubos 

En un espectrómetro de emisión se midió la composición química del acero de los tubos, donde se encontró que se trata de un acero de bajo carbono no aleado.

3. OPERACIÓN Y NORMAS DE REFERENCIA 

La caldera en general debe cumplir con los requerimientos de diseño y material que estipula el  ASME Boiler and Pressure Vessel Code y con los lineamientos de fabricación, doblado y tratamiento térmico que para tuberías da el código ASME B31.1 Power Piping. El material usado para la tubería fallada fue el SA-210-A1, del cual el código ASME establece una dureza máxima de 79 Rockwell B. ASME recomienda que en el tratamiento de aguas de alimentación de la caldera se llegue a un contenido de oxigeno disuelto menor a 7 ppb; los análisis de aguas a la entrada de la caldera mostraron en promedio un contenido de oxígeno disuelto de 9,4 ppb durante los primeros tres años de servicio, pero posteriormente se mejoró el tratamiento bajando los contenidos a 3,8 ppb en promedio, lo que se mantiene hasta la actualidad.    

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 

La naturaleza intergranular de las grietas encontradas, el hecho de ser múltiples y el tipo de carga que experimentan los tubos, lleva a concluir que el mecanismo de agrietamiento predominante es el SCC (Stress Corrosion Cracking), el cual se genera una vez la concentración de esfuerzo de las picaduras producto del ataque del oxígeno disuelto en el agua, alcanza el valor necesario para generarlo. 

La composición química del acero de los tubos cumple con los requerimientos de la norma SA-210-A1, sin embargo, tanto en la zona doblada como en la recta se nota que la dureza es superior a lo estipulado, esta situación puede explicar el origen de las picaduras, ya que el mayor valor de la dureza del acero del tubo respecto a la norma, implica que tiene un mayor valor de esfuerzos residuales provenientes de fabricación, lo cual es sabido favorece la corrosión por picadura. Las picaduras es lógico que se acentúen en la zona doblada, ya que allí hay un mayor valor de esfuerzos residuales, sin embargo, no por ello se puede achacar la causa raíz del problema a una posible deficiencia en el tratamiento térmico postdoblado de los tubos, debido a que las zonas rectas de los mismos también presentan picaduras.  

El hecho que durante los tres primeros años de operación de la caldera el contenido de oxígeno disuelto en el agua de alimentación, estuvo en promedio ligeramente por encima de lo recomendado por ASME, hace de esto un factor contribuyente a la falla, ya que altos contenidos de oxígeno disuelto en el agua de alimentación son susceptibles de generar corrosión por picadura. 

Así pues se concluye que la causa raíz del problema de agrietamiento, se debe a una deficiencia en el control de calidad siderúrgico de los tubos, que los dejó con una dureza superior a lo admitido por el código ASME, haciéndolos más susceptibles a las corrosión por picaduras de oxigeno. A lo anterior contribuyó el hecho de operar la caldera durante los primeros años de servicio, con un contenido de oxígeno disuelto en el agua de alimentación ligeramente por encima del límite recomendado por ASME.

Estudio de un caso de falla por corrosión en equipo de procesamiento de alimentos Jorge L. Romero Hernández, Juan A. Ortiz Valera, Armando Ortiz Prado

Resumen 

Se presenta el análisis de un caso de corrosión por picadura en un dispositivo de cocción para productos alimenticios; las muestras analizadas corresponden a un acero inoxidable AISI–316, el cual se considera óptimo para tales aplicaciones, sin embargo la severidad del daño obliga a un análisis de la falla con la finalidad de identificar el origen de ésta y determinar las acciones correctivas pertinentes.

Caso de estudio 

Se presenta un caso de corrosión en las paredes de una cámara de conducción de vapor de agua, adyacente a un horno de cocción de embutidos cárnicos; se estima una temperatura promedio de 140°C y el gasto de vapor es aproximadamente 3 ton/h. Dichas paredes internas corresponden a placa de acero inoxidable austenítico AISI 316 decalibre 12 (lámina rolada en caliente) y forma además un enchaquetado semicilíndrico del rotor del horno de cocción.  

 El horno bajo condiciones de corrosión forma parte de un conjunto de tres unidades de cocción, sin embargo en los otros dos no se presentan fenómenos corrosivos, siendo que en los tres se tienen las mismas condiciones de operación y, según se reporta, de material. Cabe señalar que la falla se presento a menos de un año de operación del horno, cuando estaba proyectado para un mínimo de 10 años de operación continua.

Análisis a bajos aumentos 

En el análisis a detalle, se observa la presencia abundante de picadura superficial en ambos lados de la placa con gran cantidad de productos de corrosión, siendo el caso más severo la cara interna, adyacente al rotor del horno. También se detectaron una gran cantidad de agrietamientos superficiales, evidenciándose  a simple vista por una concentración de óxidos que describen patrones de corrimiento. 

Análisis mediante MEB 

Mediante Microscopía Electrónica de Barrido se observa la morfología que define la corrosión por picadura, con desprendimiento superficial localizado, aparentemente de manera intergranular o obstante, la preparación metalográfica en secciones transversales de distintas zonas descarta la corrosión intergranular, ya que no se aprecia el debilitamiento y separación en el límite de grano, sin embargo, si se observa de manera reiterada la presencia de grietas, típicas de la corrosión bajo esfuerzos, en dirección perpendicular a la superficie, y en algunos caso de manera longitudinal (subsuperficial)  y con corrimiento, tanto inter, como trans-granular.  

Análisis químico 

Mediante el análisis del espectro de energía dispersa (EDAX  – Energy Dispersive X Ray Analysis), se llevó a cabo la evaluación cualitativa del material y de los depósitos formados en la superficie, con la finalidad de determinar la naturaleza de estos Salvo las pequeñas cantidades de NaCl registradas en los espectros obtenidos, en general se observaron elementos típicos en los productos de corrosión. 

Resistencia a la corrosión 

La resistencia a la corrosión por picadura fue evaluada a través del ensayo de polarización cíclica en solución 3.5% de NaCl a temperatura ambiente (20°C) utilizando un potenciostato Gill ACM Instruments. Los parámetros de interés en el ensayo fueron  el potencial de picadura (Ep) y el potencial de protección o repasivación  (Epp) y el potencial de corrosión (Ecor), los cuales presentaron valores de 159,  -265  y  -437 mV respectivamente, los cuales describen un material relativamente débil frente a fenómenos corrosivos, mientras que, además, se muestra un área grande de histéresis que indica la presencia de picaduras, lo cual se corrobora al examinar la muestra ensayada. 

Discusión 

De acuerdo a tablas de composición de aceros inoxidables, se reporta que para un acero inoxidable AISI 316, la composición nominal se indica en la Tabla 3  [3], la cual presenta diferencias con los datos mostrados en la Tabla 1, sin embargo, se debe recordar que el muestreo se realizo de un ensayo de carácter cualitativo, por lo que su importancia radica en revelar la presencia de los elementos aleantes sugiriendo una concentración cualitativa de estos. En todo caso, los datos obtenidos describen un acero inoxidable austenítico con presencia de molibdeno, lo cual le da un valor agregado en la resistencia a la corrosión, ubicándolo en la familia de los aceros AISI 316. 

Respecto a las observaciones realizadas en el material bajo estudio, se detectan diferentes mecanismos de deterioro, sin embargo, resulta predomínate la corrosión localizada o por picadura  y en algunos casos se registra una pequeña concentración de cloruros en éstas Los agujeros o picaduras sirven como superficies anódicas y el material hace las veces de cátodo. Generalmente provocado por soluciones acidas. En este sentido, el ensayo de polarización cíclica muestra un material susceptible a la corrosión por picaduras permaneciendo activo una vez destruida la pasividad propiciando el crecimiento de picaduras sin interrupción. 

Por otra parte, se debe considerar que un factor de riesgo corresponde a la continuidad e integridad de la película pasiva  [4]. Es decir, un acero inoxidable, aún siendo de un grado inferior, es capaz de resistir ambientes agresivos, si éste cuenta con un adecuado tratamiento de Pasivación, por lo que la inconsistencia, o bien, la nula presencia de una capa pasiva, define a un material propenso a la corrosión.  Como se mencionó, el hecho  de  que  los  cloruros penetren  fácilmente  la  película  pasiva permiten  que  se presenten ataques corrosivos. 

Cabe mencionar que el carbono tiene una mayor afinidad con el cromo de la que tiene con el hierro, en este caso estos dos elementos se combinan fácilmente durante un proceso de soldadura dado que necesariamente se generan altas temperaturas [5]. En este sentido, el material bajo estudio presenta  múltiples cordones de soldadura y una alta concentración de productos de corrosión sobre estos. A medida que el acero se enfría pasa a través de un rango de sensibilización el cual se localiza entre 480 y 815°C. La sensibilización es causada por la precipitación del carbono que normalmente se encuentra disuelto hacia los límites de los granos en forma de carburo de cromo. Esta precipitación de carburos causa a su vez una reducción del cromo en los límites de grano. Ya que los carburos de cromo son compuestos inestables, producen una estructura frágil indeseable, de baja resistencia mecánica y que es destruida con relativa facilidad por el calor o la corrosión. 

Finalmente, la muestra analizada corresponde a un revestimiento semicilíndrico de calibre considerable (aprox. Calibre 12 para lámina rolada en caliente), por lo que la deformación hacia la forma del revestimiento  es susceptible de esfuerzos residuales, lo cual desencadena la formación de microgrietas como las presentadas 

PROTECCIÓN DE LA CORROSION 

DEFINICIÓN DE ÁNODO Y CÁTODO

 Para la notación de los dos electrodos en una celda electroquímica (galvánica o electrolítica) son válidas las siguientes definiciones generales: El ánodo es el electrodo en el cual, o a través del cual, la corriente positiva pasa hacia el electrolito. El cátodo es el electrodo en el cual entra la corriente positiva proveniente del electrolito.

Generalmente, se toman como válidas las siguientes reglas:

1) La reacción anódica es una oxidación y la reacción catódica una reducción.

2) Los aniones (iones negativos) migran hacia el ánodo y los cationes (iones positivos) hacia el cátodo. Hay que hacer notar que particularmente en una celda galvánica, por ejemplo en una pila seca (Figura 9), la corriente positiva fluye del polo (+) al (-) en el circuito externo, mientras que dentro de la celda, la corriente positiva fluye del (-) al (+).

 La PROTECCIÓN CATÓDICA ocurre cuando un metal es forzado a ser el cátodo de la celda corrosiva adhiriéndole (acoplándolo o recubriéndolo) de un metal que se corroa más fácilmente que él, de forma tal que esa capa recubridora de metal se corroa antes que el metal que está siendo protegido y así se evite la reacción corrosiva. Una forma conocida de Protección Catódica es la GALVANIZACIÓN, que consiste en cubrir un metal con Zinc para que éste se corroa primero. Lo que se hace es convertir al Zinc en un ÁNODO DE SACRIFICIO , porque él ha de corroerse antes que la pieza metálica protegida.

Se fundamenta en el mismo principio de la corrosión galvánica, en la que un metal más activo es anódico con respecto a otro más noble, corroyéndose el metal anódico.

En la protección catódica con ánodo galvánicos, se utilizan metales fuertemente anódicos conectados a la tubería a proteger, dando origen al sacrificio de dichos metales por corrosión, descargando suficiente corriente, para la protección de la tubería.

La diferencia de potencial existente entre el metal anódico y la tubería a proteger, es de bajo valor porque este sistema se usa para pequeños requerimientos de corriente, pequeñas estructuras y en medio de baja resistividad.

1. Debe tener un potencial de disolución lo suficientemente negativo, para polarizar la estructura de acero (metal que normalmente se protege) a -0.8 V. Sin embargo el potencial no debe de ser excesivamente negativo, ya que eso motivaría un gasto superior, con un innecesario paso de corriente. El potencial práctico de disolución puede estar comprendido entre -0.95 a -1.7 V;

2. Corriente suficientemente elevada, por unidad de peso de material consumido;

3. Buen comportamiento de polarización anódica a través del tiempo;

4. Bajo costo.

Considerando que el flujo de corriente se origina en la diferencia de potencial existente entre el metal a proteger y el ánodo, éste último deberá ocupar una posición más elevada en la tabla de potencias (serie electroquímica o serie galvánica).

Los ánodos galvánicos que con mayor frecuencia se utilizan en la protección catódica son: Magnesio, Zinc,Aluminio.

Magnesio: Los ánodos de Magnesio tienen un alto potencial con respecto al hierro y están libres de pasivación. Están diseñados para obtener el máximo rendimiento posible, en su función de protección catódica. Los ánodos de Magnesio son apropiados para oleoductos, pozos, tanques de almacenamiento de agua, incluso para cualquier estructura que requiera protección catódica temporal. Se utilizan en estructuras metálicas enterradas en suelo de baja resistividad hasta 3000 ohmio-cm.

Zinc: Para estructura metálica inmersas en agua de mar o en suelo con resistividad eléctrica de hasta 1000 ohm-cm.

Aluminio: Para estructuras inmersas en agua de mar.

Para mejorar las condiciones de operación de los ánodos en sistemas enterrados, se utilizan algunos rellenos entre ellos el de Backfill especialmente con ánodos de Zinc y Magnesio, estos productos químicos rodean completamente el ánodo produciendo algunos beneficios como:

- Promover mayor eficiencia;

- Desgaste homogéneo del ánodo;

- Evita efectos negativos de los elementos del suelo sobre el ánodo;

- Absorben humedad del suelo manteniendo dicha humedad permanente.

La composición típica del Backfill para ánodos galvánicos está constituida por yeso (CaSO₄),bentonita, sulfato de sodio, y la resistividad de la mezcla varía entre 50 a 250 ohm-cm.

Esquema del diseño

En este sistema se mantiene el mismo principio fundamental, pero tomando en cuenta las limitaciones del material,costo y diferencia de potencial con los ánodos de sacrificio, se ha ideado este sistema mediante el cual el flujo de corriente requerido, se origina en una fuente de corriente generadora continua regulable o, simplemente se hace uso de los rectificadores, que alimentados por corriente alterna ofrecen una corriente eléctrica continua apta para la protección de la estructura.

La corriente externa disponible es impresa en el circuito constituido por la estructura a proteger y la cama anódica. La dispersión de la corriente eléctrica en el electrólito se efectúa mediante la ayuda de ánodos inertes cuyas características y aplicación dependen del electrólito.

El terminal positivo de la fuente debe siempre estar conectado a la cama de ánodo, a fin de forzar la descarga de corriente de protección para la estructura.

Este tipo de sistema trae consigo el beneficio de que los materiales a usar en la cama de ánodos se consumen a velocidades menores, pudiendo descargar mayores cantidades de corriente y mantener una vida más amplia.

En virtud de que todo elemento metálico conectado o en contacto con el terminal positivo de la fuente e inmerso en el electrólito es un punto de drenaje de corriente forzada y por lo tanto de corrosión, es necesario el mayor cuidado en las instalaciones y la exigencia de la mejor calidad en los aislamientos de cables de interconexión

Chatarra de hierro: Por su economía es a veces utilizado como electrodo dispersor de corriente. Este tipo de ánodo puede ser aconsejable su utilización en terrenos de resistividad elevada y es aconsejable se rodee de un relleno artificial constituido por carbón de coque. El consumo medio de estos lechos de dispersión de corriente es de 9 Kg/Am*Año

Ferrosilicio: Este ánodo es recomendable en terrenos de media y baja resistividad. Se coloca en el suelo hincado o tumbado rodeado de un relleno de carbón de coque. A intensidades de corriente baja de 1 Amp, su vida es prácticamente ilimitada, siendo su capacidad máxima de salida de corriente de unos 12 a 15 Amp por ánodo. Su consumo oscila a intensidades de corriente altas, entre o.5 a 0.9 Kg/Amp*Año. Su dimensión más normal es la correspondiente a 1500 mm de longitud y 75 mm de diámetro.

Grafito: Puede utilizarse principalmente en terrenos de resistividad media y se utiliza con relleno de grafito o carbón de coque. Es frágil, por lo que su transporte y embalaje debe ser de cuidado. Sus dimensiones son variables, su longitud oscila entre 1000-2000 mm, y su diámetro entre 60-100 mm, son más ligeros de peso que los ferrosilicios. La salida máxima de corriente es de 3 a 4 amperios por ánodo, y su desgaste oscila entre 0.5 y 1 Kg/Am*Año

Titanio-Platinado: Este material está especialmente indicado para instalaciones de agua de mar, aunque sea perfectamente utilizado en agua dulce o incluso en suelo. Su característica más relevante es que a pequeños voltajes (12 V), se pueden sacar intensidades de corriente elevada, siendo su desgaste perceptible. En agua de mar tiene, sin embargo, limitaciones en la tensión a aplicar, que nunca puede pasar de 12 V, ya que ha tensiones más elevadas podrían ocasionar el despegue de la capa de óxido de titanio y, por lo tanto la deterioración del ánodo. En aguas dulce que no tengan cloruro pueden actuar estos ánodos a tensiones de 40-50 V.

Es un mecanismo de transformación de corriente alterna a corriente continua, de bajo voltaje mediante la ayuda de diodos de rectificación, comúnmente de selenio o silicio y sistemas de adecuación regulable manual y/o automática,a fin de regular las características de la corriente, según las necesidades del sistema a proteger

Las condiciones que el diseñador debe estimar para escoger un rectificador son:

1. Características de la corriente alterna disponible en el área (voltios, ciclos, fases);

2. Requerimiento máximo de salida en C.D (Amperios y Voltios);

3. Sistemas de montaje: sobre el piso, empotrado en pared, en un poste;

4. Tipos de elementos de rectificación: selenio, silicio;

5. Máxima temperatura de operación;

6. Sistema de seguridad: alarma, breaker, etc;

7. Instrumentación: Voltímetros y Amperímetros, sistemas de regulación;

Es posible que habiendo decidido utilizar el sistema de corriente impresa, no se disponga en la zona de líneas de distribución de corriente eléctrica, por lo que sería conveniente analizar la posibilidad de hacer uso de otras fuentes como:

- Baterías, de limitada aplicación por su bajo drenaje de corriente y vida limitada;

- Motores generadores;

- Generadores termoeléctricos;

A continuación se detalla las ventajas y desventajas de los sistemas de protección catódica

     Por otro lado, la PROTECCIÓN ANÓDICA es un método similar que consiste en recubrir el metal con una fina capa de óxido para que no se corroa. Existen metales como el Aluminio que al contacto con el aire son capaces de generar espontáneamente esta capa de óxido y por lo tanto, se hacen resistentes a la corrosión. Aún así, la capa de óxido que recubre al metal no puede ser cualquiera. Tiene que ser adherente y muy firme, ya que de lo contrario no serviría para nada. Por ejemplo, el óxido de hierro no es capaz de proteger al hierro, porque no se adquiere a él en la forma requerida.

     La selección de los materiales que vayamos a usar será factor decisivo en el control de la corrosión a continuación se enunciaran algunas reglas generales para la selección de materiales:

• Para condiciones no oxidantes o reductoras tales como ácidos y soluciones acuosas libres de aire, se utilizan frecuentemente aleaciones de Ni y Cr.
• Para condiciones oxidantes se usan aleaciones que contengan Cr.
• Para condiciones altamente oxidantes se aconseja la utilización de Ti y
• Los elementos cerámicos poseen buena resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas pero son quebradizos, su utilización se restringe a procesos que no incluyan riesgos.

     Los recubrimientos se aplican mediante capas finas que separen el ambiente corrosivo del metal, es decir que puedan servir como ánodos sacrificables que puedan ser corroídos en lugar del metal subyacente. Los galvanizados son un buen ejemplo de este caso. Un recubrimiento continuo de zinc y estaño aísla el acero respecto al electrolito. A veces se presentan fallas con estos metales, cuando el riesgo de corrosión es muy elevado se recomienda hacer un recubrimiento con Alclad.

     El Alclad es un producto forjado, compuesto formado por un núcleo de una aleación de aluminio y que tiene en una o dos superficies un recubrimiento de aluminio o aleación de aluminio que es anódico al núcleo y por lo tanto protege electroquímicamente al núcleo contra la corrosión.

     En algunos casos es necesario hacer recubrimientos con material inorgánico, los mas usados son el vidrio y los cerámicos, estos recubrimientos proporcionan acabados tersos y duraderos. Aunque si se expone un pequeño lugar anódico se experimenta una corrosión rápida pero fácil de localizar.

     El uso de pinturas, lacas, barnices y muchos materiales orgánicos poliméricos han dado muy buen resultado como protección contra la corrosión. Estos materiales proveen barreras finas tenaces y duraderas para proteger el sustrato metálico de medios corrosivos. El uso de capas orgánicas protege mas el metal de la corrosión que muchos otros métodos. Aunque debe escogerse muy bien, ya que hay procesos que incluyen tratamientos con alcoholes que en algún momento pueden disolver los materiales orgánicos.

     Este quizá el método más efectivo para el control de la corrosión, ya que si hacemos un buen diseño y una buena planeación podemos evitar dicho fenómeno, a continuación se enumeraran algunas reglas generales que se deben seguir:

• Se debe tener en cuenta la acción penetrante de la corrosión junto con los requerimientos de la fuerza mecánica cuando se considere el espesor del metal utilizado. Esto se utiliza para tuberías y tanques que contengan líquidos.
• Son preferibles los recipientes soldados que los remachados para reducir la corrosión por grieta
• Se deben usar preferiblemente metales galvánicamente similares para prevenir para prevenir la corrosión galvánica. Si se atornillan metales no similares galvánicamente se deben usar arandelas no metálicas para eliminar contactos eléctricos entre los materiales.
• Es preciso evitar tensión excesiva y concentraciones de tensión en entornos corrosivos, para prevenir la ruptura por corrosión por esfuerzos, especialmente en aceros inoxidables, latones y otros materiales susceptibles a este tipo de corrosión.
• Se deben evitar recodos agudos en sistemas de tuberías por donde circulan fluidos. En estas áreas donde cambia la dirección del fluido bruscamente se potencia la corrosión por erosión.
• Se deben diseñar los tanques y recipientes de una manera que sean fáciles de limpiar y desaguar, ya que el estancamiento de sustancias corrosivas provoca la aparición de celdas por concentración.
• Se debe hacer un diseño eficiente de aquellas piezas que se espera queden inservibles en poco tiempo, para que sean fáciles de reemplazar.
• Es importante también diseñar sistemas de calefacción que no den lugar a zonas puntuales calientes, los cambios de calor ocasionan corrosión.

Las condiciones ambientales son muy importantes para el control de corrosión, algunos métodos usados son:

• Bajando la temperatura se consigue disminuir la velocidad de reacción, por ende se disminuye el riego de corrosión.
• Disminuyendo la velocidad de un fluido corrosivo se reduce la corrosión por erosión. Sin embargo, para metales y aleaciones que se pasivan, es más importante evitar las disoluciones estancadas.
• Eliminar el oxigeno de las soluciones acuosas reduce la corrosión especialmente en las calderas de agua.
• La reducción de la concentración de iones corrosivos en una solución que esta corroyendo un metal puede hacer que disminuya la velocidad de corrosión, se utiliza principalmente en aceros inoxidables.
• La adición de inhibidores que son principalmente catalizadores de retardo disminuye las probabilidades de corrosión. Los inhibidores son de varios tipos: los inhibidores de absorción que forman una película protectora, los inhibidores barrenderos que eliminan oxigeno. En general, los inhibidores son agentes químicos, añadidos a la solución de electrolito, emigran preferentemente hacia la superficie del ánodo o del cátodo y producen una polarización por concentración o por resistencia.
  
  

TIPOS DE RECUBRIMIENTOS PARA EVITAR LA CORROSIÓN 

La corrosión es la tendencia general de ciertos materiales a buscar su forma más estable o de menor energía interna, esto es, el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico de su entorno (oxidación). Consiste en un fenómeno electroquímico, en el que intervienen como elementos principales el metal, el oxígeno y el agua.

La producción de acero y las mejoras de sus propiedades mecánicas, han hecho de él un material muy útil. Sin embargo, junto con estas mejoras, se está pagando un precio muy alto, ya que la corrosión destruye el 25% de la producción mundial anual del acero. Para afrontarla, existen diversos métodos para su prevención e incluso para su inhibición.

Los recubrimientos están divididos en dos grupos: metálicos y no metálicos, y ambos comparten el mismo objetivo: evitar la corrosión.

• Metálicos: consiste en la aplicación de un metal noble sobre la superficie de un metal activo donde el primero se sacrifica y corroe, un ejemplo práctico de este tipo es el galvanizado donde el metal sacrificado es el zinc usado para la protección del acero.
• No metálicos: los que son de tipo orgánico tienen como principal finalidad el aislamiento del metal además de que pueden contener inhibidores de corrosión. Los no metálicos inorgánicos incluyen porcelanas, tintas de cemento y silicatos, recubrimientos vítreos y otros cerámicos resistentes a la corrosión.
• Algunas sustancias químicas como las sales son causantes de la corrosión, y existen otras que la evitan, entre los más comunes se encuentran los cromatos, silicatos y aminas orgánicas que crean una película protectora en la superficie. En este caso, los inhibidores son absorvidos sobre los sitios anódicos y catódicos y anula la corriente de corrosión.

Ahora bien, existe un factor que ayuda en la eliminación de la corrosión y es importante, puesto que no trata de ningún otro tipo de proceso químico sino del origen de la estructura, el diseño de la misma, pues los problemas de corrosión se originan en los espacios pequeños y resquicios. Estas áreas se pueden eliminar o minimizar en el proceso de diseño para operar en niveles de esfuerzo menores en los que podrían colapsarse.

La corrosión de los metales constituye una de las pérdidas económicas más importantes para las industrias. La rotura de los tubos de escape; roturas de los tanques de almacenamiento y tuberías de conducción de agua o crudo; derrumbes de instalaciones… Por eso resulta de vital importancia realizar un plan adecuado y preventivo de mantenimiento

CONCLUSIÓN

Como conclusiones tenemos los siguientes puntos:

1. El proceso de corrosión debe ser visto como un hecho que pone en evidencia el proceso natural de que los metales vuelven a su condición primitiva y que ello conlleva al deterioro del mismo. No obstante es este proceso el que provoca la investigación y el planteamiento de fórmulas que permitan alargar la vida útil de los materiales sometidos a este proceso.
2. En la protección catódica entran en juego múltiples factores los cuales hay que tomar en cuenta al momento del diseño del sistema, inclusive es un acto de investigación conjunta con otras disciplinas mas allá de la metalurgia, como la química y la electrónica.
3. En el trabajo se confirma que la lucha y control de la corrosión es un arte dentro del mantenimiento y que esta área es bastante amplia, dado el sinnúmero de condiciones a los cuales se encuentran sometidos los metales que forman equipos y herramientas.
4. Como última conclusión está el hecho de que hay que ahondar en estos conocimientos pues ellos formarán parte integral de la labor que debe desempeñar un Ingeniero de Mantenimiento.

Bibliografía:

http://www.ing.unlp.edu.ar/quimica/corrosion.htm

http://www.monografias.com/trabajos3/corrosion/c orrosion.shtml 

Introducción A La Metalúrgica Física Sídney H. Avner Sistemas De Protección Catódica Elizabeth García. Universidad de Sonora. México Autor: Oscar González

 ASM International,  Handbook of Case Histories in Failure Analysis, 1st ed., vol. 1. Metals Park Ohio: ASM, 1992, Part 2. 
 D.R.H. Jones,  Failure Analysis Case Studies II.  Netherlands: Elsevier, 2001, Chapters 5 and 6.  
 ASM International,  ASM Handbook Volume 11: Failure Analysis and Prevention. Metals Park Ohio: ASM, 2002, pp. 747-898.