curso básico de corrosión v1 abril 2012

Autor: Hctor Buzeta Villar Ingeniero Civil Universidad de Chile

Diplomado en Corrosin y Proteccin Catdica Certificacin ASME & ASTM

CAPTULOS

CAPTULO I

Temario

Corrosin Electroqumica Definicin

Definiciones Adicionales y Alcances

La Corrosin como Ciencia Multidisciplinaria

La Serie Electroqumica de los Metales

Tipos de Corrosin Electroqumica

Indicadores para la Medicin de la Corrosin

Diagrama de Marcel Pourbaix

Corrosin Electroqumica - Definicin

Es el fenmeno de deterioro de los materiales

metlicos o sus aleaciones, por la accin del medio

en que se utilizan.

El deterioro o dao puede ser fsico (prdida de

espesor y/o capacidad estructural), qumico (cambio

de las caractersticas de los aceros producto del

transporte de fluidos a altas temperaturas); o bien,

mecnico (desgaste o corrosin por abrasin).


El origen de la Corrosin est descrito tambin en la

Segunda Ley de la Termodinmica o Entropa, que

seala someramente lo siguiente:

Todos los procesos termodinmicos tienen una

nica direccin temporal, son entrpicos, y por

ende tienden al caos, a la mnima energa o a

su estado natural.

La Corrosin implica necesariamente la simultaneidad de procesos reductivos y oxidativos (reacciones Redox).


Se produce por la confluencia de los siguientes cuatro

(4) elementos:

Existencia de un nodo en el metal

Existencia de un ctodo en el metal

Medio conductor de electrolitos o iones

Metal o medio conductor de corriente elctrica

Al eliminar cualquiera de los elementos anteriores,

entonces, se elimina la corrosin.


nodo:

Zonas de prdida de material, no homogneas, con impurezas,

tensionadas; o donde el metal se corroe o se disuelve Zona de

Oxidacin.

Ctodo:

Zona donde el metal no se corroe Zona Reductora.

Electrolito:

Generalmente agua o suelo que permite la propagacin de

corrientes inicas.

Conductor metlico:

Zona conductora que comunica las zonas andicas y catdicas de

los metales.


Factores relacionados con el medio como el pH,

la temperatura, la concentracin de sales,

concentracin de oxgeno, la presencia de bacterias;

etc.; aceleran la corrosin.

Factores relacionados con el metal como las

aleaciones, contenido de impurezas, aleantes,

tratamientos metalrgicos, etc.; influyen en la

velocidad del deterioro.

Definiciones Adicionales y Alcances

Segn la naturaleza de la interaccin, la corrosin puede ser qumica o electroqumica.

Segn la naturaleza del medio corrosivo, la corrosin puede ser gaseosa o seca, atmosfrica, lquida y subterrnea.

Segn la morfologa del dao, la corrosin puede ser uniforme, galvnica, por picadura, grietas o hendiduras, intergranular, selectiva, bajo tensin y por erosin corrosin.

En este breve curso slo nos abocaremos a la corrosin electroqumica a temperatura ambiente en presencia de aguas y suelos .


La importancia del estudio y conocimiento de la Corrosin y su Control se debe, entre otros, a los siguientes aspectos (costos directos e indirectos):

Aumento de los costos de operacin y mantencin de los sistemas,

Prdida de valor de los activos fsicos,

Aumento del riesgo operacional y ambiental de las instalaciones,

Incumplimiento de metas productivas, etc.


Hoy en da, el estudio de la corrosin se entiende como multidisciplinario, ya que convoca a profesionales de diferentes reas del conocimiento; a saber:

Ingenieros qumicos y bioqumicos,

Ingenieros mecnicos y elctricos,

Ingenieros estructurales y en ciencias de los materiales,

Empresas fabricantes de:

Revestimientos,

Aceros inoxidables,

bactericidas, inhibidores de corrosin, etc.


Las prdidas anuales directas por corrosin, en diferentes pases, se pueden resumir como sigue:

Actualmente, la corrosin a nivel mundial oscila entre un 3,5% a un 5,0% del PIB; y de las cuales, el 40,0% resulta factible prevenir con el actual nivel de tecnologas disponibles para hacer frente a la corrosin.

La produccin mundial de acero en el ao 2011 fue del orden de las 124 MM Ton. Por tanto, se estima que entre 3 a 5 ton/min se pierden actualmente por corrosin del acero.

PIBPrdidas por

Corrosin

EEUU 1975 1.624 68,21 4,20

URSS 1969 335 6,70 2,00

Reino Unido 1970 124 4,34 3,50

Alemania 1969 200 6,00 3,00

Japn 1977 689 12,40 1,80

Chile 1987 20,9 0,40 1,90

Miles de millones de US$

Pas Ao %PIB

Serie Electroqumica de los Metales

La serie electroqumica de los metales permite diferenciar aquellos elementos que en contacto se comportarn catdicamente (aumentan su masa y potencial al reducir los electrones provenientes de las zonas no homogneas) o andicamente.

Notar que en la tabla anterior, el electrodo de referencia es el Hidrgeno (H2). Los potenciales han sido medidos a 25 C.

Serie Electroqumica de los Metales y la Tabla Peridica

Electronegativos Electropositivos


Km+ : Indicador de aumento de masa por unidad de rea y tiempo ensayo no destructivo gran uso en corrosin seca y uniforme.

Km- : Indicador de prdida de masa por unidad de rea y tiempo ensayo destructivo - muy utilizado en corrosin electroqumica y uniforme.

: Indicador de prdida de espesor por unidad de tiempo ensayo destructivo - si se conoce la densidad del material, entonces se expresa normalmente en mm/ao uso extendido en corrosin electroqumica uniforme.


Kv : Indicador volumtrico por unidad de tiempo muy til para medir corrosin uniforme en ambientes cidos, ausencia de oxgeno y con desprendimiento de H2.

Kr : Indicador elctrico por unidad de tiempo se realiza en laboratorio cuantificando la variacin de la resistencia elctrica producto de la variacin de la geometra de un cupn tipo, y considerando un V constante uso en corrosin del tipo uniforme.

Kp : Indicador de picadura o pitting por unidad de tiempo se expresa por nmero de poros por superficie y tiempo, o por prdida de material o profundidad de la picadura por unidad de tiempo.


K : Indicador mecnico de la variacin del lmite de ruptura del material en funcin del tiempo complementa a los dems indicadores muy til para verificar el dao de la corrosin uniforme bajo tensin en aceros sometidos a cargas cclicas; Fractomecnica.

i : Indicador electroqumico se mide usualmente en mA/cm2 , y se utiliza, como su nombre lo indica, en ambientes electrolticos - est basado en la Ley de Faraday, que establece que por cada 96.485 Coulomb (A/s) se disuelven y depositan en los electrodos un equivalente electroqumico de la sustancia en moles o gramos.


i : Indicador electroqumico (continuacin) este indicador se relaciona con el de prdida de peso de la forma siguiente:

= /

Donde:

i : Densidad de corriente (mA/cm2)

Km : Indicador de prdida de masa (g/cm2/h)

F : Constante de Faraday = 96.485 (Coulomb/mol)

Z : N de electrones transferidos en la reaccin

Pm : Peso molecular del metal (g)

Ks : Indicador superficial se utiliza para cuantificar la corrosin de superficies por manchas.

Diagrama de Marcel Pourbaix

CAPTULO II

Temario

Introduccin

Resumen de Variables de Inters

Campaa de Muestreo de Suelos

Estimacin de Velocidades de Corrosin

Anlisis Cualitativos

Anlisis Cuantitativos

Anlisis de Laboratorio Certificado

Conclusiones

Introduccin Porqu se estudia Qu tipos existen

No proteger la superficie exterior de los ductos para el transporte de fluidos a larga distancia, puede tener importantes repercusiones ambientales; en las instalaciones (depreciacin acelerada de activos), en sus costos de mantencin y operacin, y finalmente, repercusiones en la produccin.

Para hacer frente a la problemtica anterior, distinguiremos dos (2) tipos de corrosin de ductos en contacto directo con suelos:

Corrosin homognea o generalizada, y

Corrosin localizada o pitting.

Porosidad del suelo

Contenido de humedad de la muestra

pH

Contenido de sales solubles (cloruros, sulfatos, nitratos)

Resistividad de los suelos

Potenciales Oxido-Reduccin (Redox)

Presencia y/o ausencia de bacterias sulforeductoras

Resumen de Variables de Inters

Campaa de Muestreo de Suelos

En el trazado de la conduccin, tomar muestras, al menos, en los siguientes sectores:

En planta, al inicio del trazado,

Cruce de quebradas,

Suelos agrcolas,

Suelos costeros,

Suelos arcillosos, entre otros.


Anlisis Cualitativos:

Norma Alemana,

Norma AWWA C-105 Standard,

Norma Chilena, y

Nace RP 24216; entre otras.

Anlisis Cuantitativos:

Procedimiento del U.S. National Bureau of Standards.

Expresiones grficas de Richard F. Stratfull.

Expresiones grficas de la norma Nace RP 24216, Dic. de 2001.


Anlisis de Laboratorio Certificado:

Directos

Anlisis Gravimtricos

Indirectos

Curvas de Polarizacin o Curvas Evans

Anlisis Cualitativos: Norma Alemana: Soil Corrosivity Assessment Technique form

the German Gas and Water Works Engineers Association Standard (DVGGW GW9).

Anlisis Cualitativos: Norma Alemana: Soil Corrosivity Assessment Technique form

the German Gas and Water Works Engineers Association Standard (DVGGW GW9).

Agresividad del Suelo

Sumatoria Clasificacin

>= 0 Prcticamente no agresivo

Entre 0 y -4 Dbilmente agresivo

Entre -5 y -10 Agresivo

< -10 Fuertemente agresivo

Anlisis Cuantitativos - 1 Prdida de material segn el U.S. National Bureau of

Standards.

Es til destacar que, el estudio del U.S. National Bureau of Standards se desarroll en 16 tipos de suelo diferentes, verificndose lo siguiente:

El comportamiento de la corrosin (prdida de material) tiene la forma de una expresin potencial.

El avance de la corrosin localizada (pitting), es del orden de cinco (5) veces mayor que la corrosin generalizada.

Anlisis Cuantitativos-1 Prdida de material segn el U.S. National Bureau of

Standards.

Analticamente en funcin del tiempo t de exposicin en aos, si (t) es la prdida generalizada promedio de material y d(t) la picadura del mismo (ambas en pulgadas), las ecuaciones que se ajustan a los datos experimentales son del tipo siguiente:


Standards.

De lo expuesto, se deduce lo siguiente:

B = 5*A; esto significa que la corrosin localizada

es 5 veces mayor que la corrosin generalizada.

La velocidad de corrosin generalizada, disminuye a

travs de tiempo (proceso de pasivacin).


Standards.

Anlisis Cuantitativos-2 Prdida de material segn NACE RP 24216 State of

Art Survey on Corrosion of Steel Piling in Soils.

Anlisis Cuantitativos-3 Prdida de material segn expresiones grficas de

Richard F. Stratfull.

Al momento de evaluar la agresividad de los suelos en conducciones de gran longitud, tener presente lo siguiente:

Seleccionar en el trazado los suelos de igual grado de agresividad (cualitativamente). No olvidar que resulta siempre conveniente una primera visin cualitativa de la agresividad de los suelos.

Posteriormente, estimar con las expresiones matemticas disponibles, las velocidades de corrosin generalizada y localizada producto de tuberas en contacto con suelos.

Finalmente, estimar en laboratorio velocidades de corrosin generalizada por Curvas Evans y Mtodos Gravimtricos.

Conclusiones

Temario

Introduccin

Calidad de Aguas

Magnitud de la Corrosin por Presencia de Distintos Agentes en las Aguas

Concentracin del Oxgeno Disuelto

pH

Concentracin de Cloruros

Conductividad Elctrica

Presencia de Bacterias, moho y hongos corrosin microbiolgica

Introduccin

La literatura indica que, para conocer preliminarmente la fenomenologa que conduce a una mayor o menor tasa de corrosin y/o incrustacin en las superficies metlicas en contacto con aguas y de aquellas que forman parte de las pulpas mineras, deben controlarse ciertos parmetros fisicoqumicos de las mismas (sales disueltas, slidos suspendidos (arcillas, barros, productos de corrosin) y/o gases disueltos), a saber:

Temperatura de las aguas (terreno y laboratorio)

Contenido de oxgeno disuelto.

Concentracin de iones H+(pH)

Contenido de cationes (magnesio, sodio y potasio).

Contenido de aniones (Carbonatos en CaCO3, Alcalinidad total, Carbonatos, Bicarbonatos, Cloruros y Sulfatos)

Conductividad elctrica (terreno y laboratorio)

Presencia o ausencia de bacterias (SBR u otras)

Calidad de Aguas

Para estimar el grado de agresividad de las aguas (anlisis cualitativo), se utilizan distintos ndices; tales como los de saturacin del carbonato de calcio, y/o en funcin del contenido de cloruros y sulfatos; a saber:

ndice de Langhelier

ndice de Ryznar

ndice de Larson Skold

ndice de Puckorious

Magnitud de la Corrosin por Presencia de Distintos Agentes en las Aguas Contenido de Oxgeno Disuelto

La literatura especializada1 seala que los aceros al carbono, inmersos en medios acuosos en presencia de oxgeno, se corroen segn la siguiente relacin: Velocidad de Corrosin (mpy) = 2*(ppm de O2)

Entonces, para una concentracin de 5 ppm, se

estima una velocidad de corrosin igual a 10 mpy = 0,25 mm/ao

(1) Carbon and Low-Alloy Steels in Water, Active Library on Corrosion 2.0

La magnetita (Fe) posee una alta conductividad elctrica, conduciendo los electrones generados en la base metlica producto de la reaccin andica (Fe -> Fe2+ +2e), producindose en su superficie la reaccin catdica que genera iones OH- (2e- + H2O + 1/2 O2 -> 2OH-).

A travs de esta capa se pueden difundir hacia la zona andica los iones cloruros y sulfatos, tambin atrados por los iones Fe2+ , lo que tiene como efecto, intensificar la corrosin de la forma siguiente (Fe2+ + 2Cl- + 2H2O ->Fe(OH) 2 + 2HCl) generando en la zona andica condiciones cidas, lo que acelera la velocidad de corrosin localizada.

Magnitud de la Corrosin por Presencia de Distintos Agentes en las Aguas Contenido de Oxgeno Disuelto

Magnitud de la Corrosin por Presencia de Distintos Agentes en las Aguas pH de las Aguas

Pgina web http://nuclearpowertraining.tpub.com/h1015v1/css/h1015v1_117.htm

[consultada el mircoles 04/Abril/2012]

Magnitud de la Corrosin por Presencia de Distintos Agentes en las Aguas Concentracin de Cloruros

Estudio realizado por el Ing. Fdo. Puchi Thiele, en acero calidad ASTM Grado B y aguas recuperadas

Magnitud de la Corrosin por Presencia de Distintos Agentes en las Aguas Conductividad Elctrica

El aumento de la conductividad [Omhos/cm = 1 siemens/cm] aumenta la capacidad corrosiva de las aguas, ya que aumenta la concentracin de slidos disueltos (mayor carga electrosttica).

Por tanto, cualquier proceso que disminuya la cantidad de slidos disueltos, disminuir la corrosin [desmineralizacin, ablandamiento por cal, osmosis inversa, destilacin].

Magnitud de la Corrosin por Presencia de Distintos Agentes en las Aguas Conductividad Elctrica

Estudio realizado por el Ing. Fdo. Puchi Thiele, en acero calidad ASTM Grado B y aguas recuperadas

Magnitud de la Corrosin por Presencia de Distintos Agentes en las Aguas Presencia de Bacterias, moho y hongos (corrosin microbiolgica)

Las bacterias ms comunes en aguas (tambin en suelos - aerobias y anaerobias), son las siguientes:

Sulforeductoras (SBR)

Ferruginosas o del hierro

Productoras de cido

Depositadoras de metales

En general, las mltiples bacterias presentes en las aguas causan corrosin por picadura o pitting, cuya magnitud resulta de analizar cada caso en particular.

CAPTULO III

Temario

Introduccin

Control de la Corrosin

Metales de Alto Grado de Pureza

Tratamientos Trmicos (TT)

Diseo Adecuado

Inhibidores de Corrosin

Biocidas

Revestimientos

Proteccin Catdica (Galvnica o por Corriente Impresa)

Introduccin De acuerdo a lo descrito en el captulo primero

Actualmente, la corrosin a nivel mundial oscila entre un 3,5% a un 5,0% del PIB. El 40,0% resulta factible prevenir con el nivel actual de tecnologas disponibles contra la corrosin.

Dado que la produccin mundial de acero en el 2011 fue del orden de las 124 MM Ton, entonces, se estima que entre 3 a 5 [Tonacero/min] se pierden actualmente por corrosin.

Lo anterior justifica plenamente el estudio y desarrollo de la Ingeniera de la Corrosin en los pases desarrollados.

Control de la Corrosin Metales de alto grado de pureza (Aleaciones)

El alto grado de pureza de los aceros (aceros inoxidables) disminuye las tasas de corrosin homognea y pitting, principalmente porque no se forman cuplas galvnicas.

Lo anterior se logra si:

Se reduce el contenido de carbono a un valor inferior al 0,03%,

Se adicionan aleantes como el Titanio, Tantalio, Columbio o Niobio (formadores de carbono),

Se adiciona Cromo (>12%), molibdeno, manganeso, nquel (>30%) y cobre para mejorar la pasivacin de los aceros, disminuir la corrosin por picadura y bajo tensin.

Control de la Corrosin Tratamientos Trmicos (TT)

Segn el Metals Handbook, los tratamientos trmicos son una combinacin de operaciones de calentamiento y enfriamiento en tiempos determinados y aplicados a un metal o aleacin en el estado slido, de una forma tal de producir propiedades deseadas.

Entre estos tratamientos destacan los siguientes:

Templado,

Normalizado,

Recocido, y

Revenido

Los TT homogenizan la estructura y tamao de grano. Por tanto, disminuyen o des estresan el material.

Control de la Corrosin Diseo Adecuado

Un diseo adecuado debe cumplir, al menos, lo siguiente:

Realizar estudio de corrosin, determinando tasas de corrosin en laboratorio certificado.

Solicitar a fabricantes de recubrimientos la calidad adecuada de los mismos para cada ambiente,

Minimizar el contacto de la estructura con electrolito,

Privilegiar el uso de los metales segn tabla electroqumica, minimizando la generacin de cuplas galvnicas.

Control de la Corrosin Inhibidores de Corrosin

Los inhibidores de corrosin son productos qumicos que se adicionan al electrolito lquido o gaseoso, en pequeas cantidades, formando una capa aislante que protege la pared superficial de los metales.

La dosificacin ptima se establece con el apoyo de un laboratorio certificado.

Deben cumplir normativas de toxicidad o compatibles con el medio ambiente, y no interferir con la produccin.

En el rea minera/hidrulica, son muy utilizados los inhibidores del tipo secuestrantes de oxgeno.

Control de la Corrosin Biocidas

Su objetivo es disminuir la poblacin bacteriana.

Pueden ser bactericidas o bacteriostatos.

A su vez pueden ser orgnicos (aminas, derivados del amoniaco, clorofenoles) e inorgnicos (cloro, cromatos, compuestos de mercurio).

Son utilizados inicialmente con propiedades detergentes.

Deben no interferir con la produccin.

Control de la Corrosin Revestimientos

Entre ellas destacan las pinturas, pelculas de xidos de sal y revestimientos metlicos.

Los revestimientos ms utilizados contiene zinc, cadmio, cromo, nquel y estao.

Son considerados una proteccin pasiva, de la cual debe solicitarse al proveedor, al menos, la siguiente informacin:

Eficiencia en funcin de los aos de exposicin a un determinado electrolito.

Potencial de desprendimiento catdico

Control de la Corrosin Proteccin Catdica

Engloba a todas las anteriores, y se le acostumbra llamar proteccin activa.

Puede ser galvnica o por corriente impresa.

Su objetivo es transformar toda la estructura en un gran ctodo electropositivo.

Debe considerarse siempre con la proteccin pasiva.

curso básico de corrosión v1 abril 2012

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