presentacion corrosion sena stoncor-dr harveth gil udea gc.pdf

1Retos

CORROSINCORROSIN

PhD. Harveth Gil

Universidad de Antioquia

Grupo de Corrosin y Proteccin

2009

PORQUE SE CORROEN LOS METALES?

DEFINICIN

En general se puede definir como la destruccin de un material por agentes QUIMICOS o FISICO-QUIMICOS.

En el caso de los metales, el ataque puede ser qumico o electroquimico, propagandose el deterioro desde la interfase SOLIDO/LIQUIDO o SOLIDO/GAS hacia el interior del metal.

No puede considerarse como corrosin el desgaste del metal debido solo a causas meramente mecnicas, como lo son, la erosin, el frotamiento, etc.

LA CORROSION SE DIVIDE EN DOS GRANDES GRUPOS:

OXIDACION DIRECTA (Seca)

Se desarrolla en atmsferas secas a elevadas temperaturas. Los tomos metlicos reaccionan directamente con el medio agresivo ( O2, SO2,Cl2,..)

Material + Oxgeno ---- xido del material

CORROSION ELECTROQUIMICA (Hmeda)

Se produce en el caso que el metal este en contacto con un medio electroltico, (agua natural, agua marina, humedad). La perdida de material se produce en las zonas andicas de las pilas electroqumicas.

TIPOS DE CORROSIN

CORROSION ELECTROQUIMICA (Hmeda)

TIPOS DE CORROSIN

Me

Men+

ne-

Anodo Catodo

Solucin Conductora

CELDAS DE CORROSINPARTES BSICAS DE UNA CELDA DE CORROSIN

ANODO-Un metal en contacto con el electrolito el cual se corroe.

CATODO-Un metal en contacto con el electrolito el cual es protegido contra la corrosin

ELECTRLITO-Una solucin o medio conductor, tal como suelo, agua o concreto el cul contiene oxgeno y especies qumicas disueltas.

CONEXIN ELCTRICA-Un circuito externo que conecta el nodo y el ctodo.

2CELDA DE CORROSIN

Ctodo

Electrolito

Zn

-+Li

VE

EFuerza

electromotriz fem

Fem = E(ctodo) E(nodo)

nodo

aniones

cationes

FUERZA ELECTROMOTRZ

CORROSIN

Zn + 2HCl ZnCl2 + H2

Zn Zn2+ + 2e-

2H+ + 2e- H2(g)

Zn

HCl

NATURALEZA ELECTROQUMICA

( )( )

.oxid

.dRe0

C

Cln

nF

RTEE =Ecuacin de Nernst -Soluciones diluidas

R = 8,14 j K-1mol-1, T = 298 K, F = 96500 culombios

Reaccin Potencial estndar (E) vs ENH

Au3+ + 3e- = Au +1,498

Cl2 + 2e- = 2Cl- +1,358

O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O (pH=0) +1,229

Pt3+ + 3e- = Pt +1,2

O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- (pH=7) +0,82

Ag+ + e- = Ag +0,799

Hg22+ + 2e- = 2Hg +0,788

O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- (pH=14) +0,401

Cu2+ + 2e- = Cu +0,337

2H+ + 2e- = H2 0,00

Pb2+ + 2e- = Pb -0,126

Sn2+ + 2e- = Sn -0,136

Ni2+ + 2e- = Ni -0,250

Co2+ + 2e- = Co -0,277

Cd2+ + 2e- = Cd -0,403

Fe2+ + 2e- = Fe -0,441

Cr3+ + 3e- = Cr -0,744

Zn2+ + 2e- = Zn -0,763

TABLAS DE POTENCIAL

ANDICAS

CATDICAS 2H+ + 2e- H2

M Mn+ + ne-

Segn el ambiente

No aireado

Aireado

2H2O + 2e- H2 + 2OH-

O2 + 4H+ + 4e- 2H2O O2 + 2H2O + 4e- 4OH-

Oxidante Fe3+ + e- Fe2+

REACCIONES TPICAS EN CORROSIN METLICA PRODUCTOS DE CORROSIN

Que sucede con los iones metlicos?

Ellos pueden permanecer en solucin o pueden reaccionar con el electrolito para formar un producto slido, adherente o no adherente, como los xidos de hierro (Fe2O3, FeO).

Este producto podra tomar la forma de una pelcula, la cul puede proteger el metal interior. A esto se le conoce como PASIVACIN.

Ejemplo, en el acero inoxidable se forma una capa de Cr2O3

3PRODUCTOS DE CORROSIN

Normalmente el acero no produce pelculas protectoras o pasivas.

El Acero autoprotector, es una aleacin desarrollada para obviar la necesidad de pintura y formar una capa estable que dura mucho tiempo.

FORMAS DE CORROSINRetos

FORMAS DE FORMAS DE CORROSINCORROSIN

ELECTROQUMICAELECTROQUMICA

CLASIFICACIN DE LOS TIPOS DE CORROSIN

Segn tipo de

ataque

Uniforme

Localizada Picadura

Galvnica

Corrosin erosin

Corrosin bajo tensin Intergranular

Segn condiciones fsicas o mecnicas que los motivan

Corrosin hendidura

Corrosin selectiva

Retos

CorrosinUniforme y Localizada

Formas de Corrosin electroqumica

La corrosin uniforme es conocida como corrosingeneral y toma lugar en toda la superficiemetlica, o una gran fraccin del rea total.

Esto se debe a que las reacciones andicas ycatdicas se distribuyen uniformemente en toda lasuperficie.

Corrosin uniforme

Corrosin uniforme


El ataque es mas localizado como resultado desituaciones heterogneas

En la corrosin localizada un sitio andico fijosobre la superficie donde ocurren las reaccionesde oxidacin esta rodeado por zonas catdicasdonde las reacciones de reduccin toman lugar

La corrosin localizada es ms peligrosa y es masdifcil de predecir y controlar y puede conducir afallos inesperados con desastrosas consecuencias

Retos

Corrosin localizada

4Formas de Corrosin electroqumica

En corrosin uniforme las corrientes andicas ycatdicas estn homogneamente distribuidas en todala superficie

En la corrosin localizada la reaccin de oxidacin eslocalizada

En ambos casos, la carga del proceso de oxidacin esigual a la carga del proceso de reduccin

Corrosin localizada

Figura Diferencias entre (a) la corrosin uniforme y (b) la corrosin localizada

(a) (b)

Formas de Corrosin electroqumicaRetos

La corrosin por picadura es un procesode corrosin capaz de causar agujeros enel metal.

La corrosin por picadura es difcil deobservar porque se forman pequeaspicaduras, o porque ellas estn cubiertascon productos de corrosin.

Las picaduras tienden a desarrollarse y crecer en forma vertical y un nmero muy reducido en forma horizontal.

El picado requiere de un periodo de iniciacin extenso antes de ser visible.

Corrosin Picadura

Formas de Corrosin electroqumicaCorrosin por picadura

La corrosin por picadura es un procesode corrosin capaz de causar agujeros enel metal.

La corrosin por picadura es difcil deobservar porque se forman pequeaspicaduras, o porque ellas estn cubiertascon productos de corrosin.

Las picaduras tienden a desarrollarse y crecer en forma vertical y un nmero muy reducido en forma horizontal.

El picado requiere de un periodo de iniciacin extenso antes de ser visible.

Ejemplos

Ataque inesperadoY

Rpido


Corrosin por picadura

En la mayora de los casos, estas perforaciones o picaduras son muy pequeas, pero una sola perforacin puede representar la falla del equipo

Dos tipos de corrosin pueden ocurrir:

Picaduras causadas por haluros(generalmente los Cl- atacan el aceroinoxidable)

Picaduras de aceros al carbonocausadas por ataque con oxigeno.

Ejemplos

Ataque inesperadoY

Rpido

Formas de Corrosin electroqumicaCorrosin por picadura

Figura Proceso auto-cataltico en el acero


CorrosinInterganular

5Formas de Corrosin electroqumicaCorrosin Interglanular

Se entiende por corrosin intergranular al ataque selectivo en lmites de grano que tiene lugar en aleaciones Fe-Cr, o Ni-Cr cuando presentan determinadas caractersticas microestructurales, y se sitan en contacto con medios agresivos, especialmente medios cidos.


Corrosin Interglanular

Zona empobrecida en cromo.

Posible mecanismo

Formas de Corrosin electroqumicaCorrosin Interglanular

Ejemplo

Figura muestra la corrosin interglanular en una pieza de acero inoxidable que ha sido severa

Formas de Corrosin electroqumicaConclusiones

CorrosinGalvanica


El acople de dos metales con potencialesdiferentes en una solucin electrolticaconductora resulta en un ataque aceleradodel metal que acta como nodo respectoal metal que acta como ctodo

En corrosin galvnica la superficie delmetal menos noble se hace andicacuando entra en contacto con el metalms noble

Corrosin Galvnica


Figura Corrosin galvnica o bimetlica

Parte experimental

Corrosin Galvnica

Menos noble

Ms noble

Ctodo nodo

Flujo de corriente


Parte experimental Retos

Corrosin Galvnica

Tabla susceptibilidad a ala corrosin de metales y aleaciones


Corrosin Galvnica

RELACIN REAS ANDICAS/CATDICAS

Densidad de corriente en nodo: proporcional ala razn rea catdica / rea andica

Desfavorable: nodo pequeo y ctodo grandeToda la icorr se localizar en el nodo


Corrosin Galvnica

Latn

Cul material es ms activo?

Cul material es ms noble?

Fe


Corrosin Galvnica

Latn

Cul el mejor caso?

LatnFe

Fe

a)

b)


Corrosin Erosin

CorrosinErosin


En el fenmeno estapresente un desgastemecnico o abrasindebido a un movimientodel fluido

El metal es removido enforma de iones metlicosdisueltos y como productosde corrosin slidos

Retos

Corrosin Erosin

Corrosin erosin en el codo de una tubera


El ataque aumenta alaumentar la velocidad delfluido y se debe allevantamiento, por erosinde capas protectoras eincluso material metlicocomo consecuencia demltiples partculas deliquido o slidas

Parte experimental Retos

Corrosin Erosin

Corrosin erosin en una Causada por la alta velocidad

del vapor en una turbina


Las partculas slidas y lasburbujas de aire sonparticularmente destructivas enlos procesos de corrosin-erosin

Causa la desaparicin de capas Protectoras, dando lugar a procesos de corrosin intensos

La intensidad del ataque aumenta con la velocidad de flujo hasta alcanzar un valor mximo

Corrosin Erosin

Corrosin erosin ataques en diferentes condiciones de flujo

Direccin del flujo

+ +

++

+++

+++


Corrosinhendidura

Formas de Corrosin electroqumicaCorrosin por hendidura

La Corrosin por hendidurala cual ocurre en metalesactivos y pasivos que sonparticularmente sensibles.

Este tipo de corrosin sepresenta en unionesintersticios, zonas de solape,zonas roscadas etc.

En general ocurre en zonasmal aireadas.

Figura Corrosin por hendidura


En general las reaccionesconsisten de la disolucin deun metal M y la reduccin deoxigeno a iones OH-

Oxidacin: M M+ +e

Reduccin: O2 +2H2O+ 4e 4OH-

Estas reacciones ocurren entoda la superficie y tambin enla hendidura.

Figura Fase inicial de la corrosin por hendidura

Na

Cl-

Cl-NaCl-

OH-

OH- OH-OH-

M+

M+

M+ M+M+

Na

e-

e- e- e-

O2

O2 O2 O2

O2


Los Cloruros metlicoshidrolizados en aguaforman hidrxidosinsolubles y acido.

M+Cl- +H2O MOH+H+Cl-

La Corrosin por hendiduraproceso auto-cataltico: alfinal se dispone de ms cidoque sigue disolviendo el metal

Celda de corrosin poraireacin diferencial

Ejemplos


CorrosinBajo tension

Formas de Corrosin electroqumicaCorrosin Bajo Tensin

La corrosin bajo tensin esotro tipo de corrosinlocalizada, que se reconoce porla presencia de fracturas en lasuperficie metlica.

Se caracteriza porque en lasuperficie del metal seproducen fisuras muypequeas de forma ramificada

Corrosin bajo tensin en un acero inoxidable

austentico


Este tipo de ataque esgenerado por:

Las tensiones residuales quequedan en el material o por elefecto de esfuerzos exteriorestales como de traccin

Deformaciones en fri

Soldaduras Corrosin bajo tensin


Figura Esquema que representa las condiciones necesarias para que se de el fenmeno de corrosin bajo tensin diferentes condiciones de flujo

Tensin aplicada o residual

Corrosin Bajo Tensin

Medio agresivo especifico (Cl-)

Material metalrgicamente susceptible al agrietamiento


Corrosin Selectiva

La corrosin selectiva es un proceso que se presenta cuando se produce la disolucin selectiva de uno de los elementos de aleacin.

CorrosinSelectiva


Corrosin Selectiva

La corrosin selectiva es un proceso que se presenta cuando se produce la disolucin selectiva de uno de los elementos de aleacin.

Ejemplo

Dezincificacin de una

vlvula de latn

9Formas de Corrosin electroqumicaRetos

Corrosin Selectiva

Se ataca preferencialmente el lmite de grano o una zona adyacente a l, como consecuencia de la perdida de dicho elemento hay una reduccin de su resistencia mecnica y frente a la corrosin

Formacin de grietas

Corrosin selectiva en un bronce

Formas de Corrosin electroqumicaCorrosin Selectiva

El ejemplo ms conocido de corrosinselectiva es la dezincificacin delatones, en aleaciones Cu-Zn con mas15% de Zn.

La mayor reactividad del Zn, se derivade que tiene un enlace mas dbilcomparado con otros metales

Las condiciones que favorecen ladezincificacin son el contacto conagua ligeramente acida o alcalina yparticularmente el agua de mar.

CELDAS DE CORROSINRetos

CELDAS DE CELDAS DE CORROSINCORROSIN

nodo Ctodo

[Pb2+]= 0,01

e-

Pb

[Pb2+]= 1,0

Pb

Puente salino

( )( )

.

.Re0 log0591,0

oxid

d

C

C

nEE =

CELDAS DE CONCENTRACIN

Zona rica en oxgeno

Zona pobre en oxgeno

Nivel de marea

Acero

Corrosin de pilotes en el mar por aireacin diferencial

nodo Ctodo

Zona pobre en O2

Zona rica en O2

CELDAS DE AIREACIN DIFERENCIAL EFECTOS DEL MEDIOAMBIENTERetos

EFECTOS DEL EFECTOS DEL MEDIOAMBIENTEMEDIOAMBIENTE

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Estructuras enterradas

Ductos (petrleo, gas, agua, sales, otras sustancias)TanquesTorres

Cimientos

CORROSION EN SUELOS

Suelo medio heterogneo

SLIDOSRocaArcilla

HumusSales

LQUIDOSLluviaN. freticoSales en solucinFugas

GASESAireO2CH4Fugas

CORROSION EN SUELOS

Hundimiento de va causada por la corrosin de ducto de acero

CORROSION EN SUELOS

Caractersticas del sueloPorosidadDensidadTexturaHumedadConstituyentesBacterias

CORROSION EN SUELOS

Variables ResistividadpHPotencial estructura-sueloSalinidadTemperaturaHumedad

CORROSION EN SUELOS CORROSION ATMOSFRICA

Proceso de degradacin deestructuras metlicas expuestas ala intemperie , debido a suinteraccin con la atmsferaterrestre

En algunos casos, el metal puedeser completamente destruido yconvertido en productos decorrosin

Puede ser uniforme o localizada

11

CORROSION ATMOSFRICAAgresividad de la atmsfera:

Parmetros climticos (Temperatura, humedad relativa,tiempo de humectacin)

Contaminantes atmosfricos: Se pueden disolver en faseacuosa

Gases como:SO2, NO2, etc

CORROSION ATMOSFRICATipos de atmsferas:

IndustrialIndustrial yy UrbanaUrbana:: Caracterizada por contaminacin,principalmente proveniente de compuestos de azfre talescomo el SO2, y xidos de nitrgeno (NOx). Conforman elsmog de la ciudades.

MarinaMarina:: Esta caracterizada por iones cloruros (Cl-),provenientes de la sal marina. La cantidad de sal marinadisminuye con la distancia al oceano.

RuralRural:: Son las ms benignas pues no contienen fuertescontaminantes qumicos

EFECTOS DE LA CORROSINRetos

EFECTOS DE LA EFECTOS DE LA CORROSINCORROSIN

COSTOS

Prdidas directas

Substitucin de equipos, partes, piezas, energa, mano de obra

Mantenimiento, procesos de proteccin

Fciles de cuantificar

EFECTOS DE LA CORROSIN

COSTOS

Prdidas indirectas

Paradas innecesarias

Prdida de productos

Prdida de eficiencia

Contaminacin de productos

Sobre- dimensionamiento en proyectos Difciles de

cuantificar


Prdidas no cuantificables

Prdida de vidas humanas

Interrupcin en comunicacin

Preservacin de monumentos histricos


12

COSTOS

Colombia, (1997). 1300 millones de dlares/ao, 1.2% PIB. 430 millones evitable

25% Produccin mundial de acero destinado para la reposicin de prdidas por corrosin

EFECTOS DE LA CORROSINMTODOS DE CONTROL DE LA CORROSIN

Retos

MTODOS DE MTODOS DE CONTROL DE LA CONTROL DE LA CORROSINCORROSIN

MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSIN

Diseo

Seleccin de materiales

Inhibidores de Corrosin

Proteccin catdica

Recubrimientos


Diseo Parmetros de Proceso

Temperatura

Operacin nominal

Ciclos trmicos

Mxima de operacin

Mnima de operacin

Presin

Presin hidrulica total

Sobre presin

Variacin de la presin

MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINDiseo Parmetros del proceso

Qumicas

pH

Especies qumicas

El potencial

La concentracin de O2

Naturaleza del medio

MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINDiseo Parmetros de construccin

Los tanques y otros recipientes deben irsoldados en lugar de remachados

El diseo de tanques y otros recipientes debeser de tal forma que permita fcil limpieza ydrenaje

El diseo de un sistema de varios componentesdebe permitir fcil reemplazo de los que puedanfallar

Evitar contactos elctricos entre metales nosimilares

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MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINDiseo Drenajes

Evitar Evitar Evitar

Bueno Preferido


Diseo Hendiduras

Evitar Preferido

SoldadurasHendiduras

Colector de lquidos

TornilloO

remache

MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINDiseo Metales dismiles

Diferencias de potencial

Relacin de reas

Control por :

- Materiales compatibles

- Control de reas

- Aislamiento

- Recubrimientos


Existe una amplia variedadde materiales que podranelegirse para diversasaplicaciones industriales

En consecuencia tambin existeun rango correspondientementeamplio en cuanto a suspropiedades en condiciones deservicio.

Metales

Cermicos

Polmeros

Materiales compuestos

Materiales de Ingeniera


MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINSeleccin de materiales


Resistencia a la corrosin

Tiempo de vida en servicio

disponibilidad

Resistencia

Costo

Apariencia

Factores que influencian la seleccin de materiales


Resistencia a la corrosin

Cintica

mecnicos

electroqumicos

Aplicacin

termodinmicos

metalrgicos

Factores que afectan la resistencia a la corrosin

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Tiempo de vida en servicio y costos

Tiempo de vida corto reemplazos frecuentes

Instrucciones de inspeccin y mantenimiento

Costos de fabricacin, mantenimiento,reparaciones

MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINInhibidores de corrosin

Un inhibidor de corrosin es un aditivo qumicoque al ser agregado a un medio corrosivo, reducenla velocidad de corrosin de los metales yaleaciones.

Los inhibidores tienen una concentracin crticapara que sean efectivos y prevenir que no setornen corrosivos.

Consecuentemente, deben ser monitoreados yanalizados frecuentemente.


Adsorcin de una pelcula delgada sobre lasuperficie del metal.

Formacin de una capa pasivante, a veces denaturaleza desconocida y tan delgada que resultainapreciable

Modificacin de las caractersticas corrosivas delmedio, por formacin de precipitados protectoresque lo separan del metal, o bien eliminando odesactivando el constituyente corrosivo del mismo.

Mtodo de actuar de los inhibidores


Andicos

Incrementan la polarizacin andica (ladensidad de corriente excede la requeridapara pasivacin)

Puede incrementar la corrosin localizadasi la superficie total no es cubierta

ej. Compuestos de Zinc (ZnCl)


Catdicos

Incrementan la polarizacin catdica

Retardan la reaccin catdica

Algunos causan precipitacin ej. fosfatos, nitratos

Venenos catdicos Inhiben las reacciones catdicas Inhiben la formacin y evolucin de H2

MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINProteccin catdica

La proteccin catdica es una tcnica de proteccinelectroqumica contra la corrosin, fundamentada en elfuncionamiento de una pila galvnica. En el momento enque uno de estos tres elementos bsicos de una pila falle,sta dejara de funcionar.

Su campo de aplicacin va desde la proteccin deestructuras metlicas enterradas (gasoductos, oleoductos,cables de energa, etc.) e instalaciones marinas (cascos debuques, tuberas submarinas, boyas, plataformas deextraccin de crudo, muelles, etc.).

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ctodonodo

Se reduce el cobreSe oxida el zinc

Electrlito


El objetivo de la proteccin catdica es de eliminar todoslos nodos de la superficie metlica hacindola todacatdica.

Como lograrlo?

Volver catdica una superficie metlica es conectar elmetal que se trata de proteger a otro menos noble quel, es decir, ms negativo en la serie electroqumica.

Existen dos maneras

1)Proteccin catdica por nodos de sacrificio

2) Proteccin catdica por corriente impresa


nodos de sacrificio


nodos de sacrificio

Propiedades que debe reunir un material andico:Elevado sobrepotencial.Elevado rendimiento elctrico.En el proceso de disolucin andica, la corrosindeber ser uniforme.El metal debe ser de fcil adquisicin y deber depoderse fundir en diferentes formas y tamaos.Costo razonable.Ejemplos:Zinc, aluminio, magnesio


Corriente impresa


Corriente impresa

En general un buen nodo debe poseer lassiguientes propiedades:

1) Bajo consumo2) Densidad de corriente drenada elevada3) Pequeas dimensiones4) Baja resistividad5) Buena resistencia mecnica, y6) Elevado potencial de ruptura

Ejemplos: Chatarra de hierro, grafito

16

MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINRecubrimientos

Proteccin contra la corrosin

Acciones:

1) Medio2) Material (sustrato)3) Interfase4) Proceso (diseo)

Medio

Interfase

Sustrato

MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINRecubrimientos

Tipos

1) Metlicos

2) Cermicos

3) Polimricos

4) Compuestos

MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINRecubrimientos metlicos

MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINRecubrimientos metlicos

MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINRecubrimientos cermicos

MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINRecubrimientos cermicos

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MTODOS DE CONTROL DE LA CORROSINRecubrimientos polimricos

Sistema de pintura:

Pintura

Preparacin de superficie

Aplicacin



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