CORROSIÓN Y TEORÍA DE
PROTECCIÓN DE CATÓDICA
Universidad Industrial de Santander Escuela de Ingeniería Civil
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Universidad Industrial de Santander
Facultad de Ingenierías Físico - Mecánicas
Escuela de Ingeniería civil
TRADUCCION
CORROSIÓN Y TEORÍA DE
PROTECCIÓN DE CATÓDICA
Diseño de Estructuras Metálicas
Bucaramanga, 2012
Universidad Industrial de Santander Escuela de Ingeniería Civil
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Universidad Industrial de Santander
Facultad de Ingenierías Físico - Mecánicas
Escuela de Ingeniería civil
Presentado a:
Ingeniero ALVARO REY SOTO
Ing. Civil
Elaborado por estudiantes:
José Eduardo Rivera Laiton 2071876
Raúl Andrés Torres Ballén 2063115
Rodolfo Oswaldo Villamizar Salazar 2071889
Diseño de Estructuras Metálicas
Bucaramanga, 2012
Universidad Industrial de Santander Escuela de Ingeniería Civil
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CORROSIÓN Y TEORÍA DE
PROTECCIÓN DE CATÓDICA
por
James B. Bushman, educación física
Ingeniero Principal de la corrosión
Bushman & Associates, Inc
Medina, Ohio, EE.UU.
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INTRODUCCIÓN
La naturaleza ha dotado a cada sustancia metálica con un cierto nivel de energía
física o potencial.
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SERIE DE ENERGÍA GALVÁNICA
Cuando dos metales que tienen diferentes niveles de energía o potenciales están
acoplados entre sí, la corriente fluirá. La dirección del flujo de corriente positiva
será desde el metal con el potencial más negativo a través del suelo a lo que es
más positivo. La corrosión se produce en el punto donde la corriente positiva sale
de la superficie del metal. Una batería de pila seca es un ejemplo de una celda de
corrosión.
Batería común de célula seca
Ferrocarriles y otros tipos de maquinaria a menudo generan corriente continua.
Cuando esta corriente fluye a través del suelo de manera indiscriminada, lo que se
conoce como "perdida" DC. La corriente puede ponerse en contacto y seguir una
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estructura enterrada metálica, como una tubería, pero siempre que sea deja que la
estructura de regrese a su origen, la corrosión se va a producir.
La protección catódica es un método eléctrico de prevención de la corrosión en las
estructuras metálicas que están en electrolitos tales como el suelo o el agua. Ha
tenido una amplia aplicación en tuberías subterráneas, y el uso cada vez más
como el método más eficaz de control de corrosión para muchas otras estructuras
subterráneas y submarinas, tales como cables de plomo, tanques de
almacenamiento de agua, compuertas de las esclusas y diques, pilotes de acero,
tanques de almacenamiento subterráneos, así cubiertas, los cascos de buques y
los interiores, equipos de tratamiento de agua, estantes de basura y las
pantallas. Es un método científico que combate la corrosión por el uso de las
mismas leyes que hacen que el proceso de corrosión.
Mecanismo de la corrosión
Existen dos mecanismos básicos por los cuales los metales en los electrolitos
corroen
Corrosión electrolítica
La corrosión galvánica
La corrosión electrolítica es una consecuencia de la corriente directa de fuentes
externas que entran y luego dejando una estructura metálica en particular por
medio del electrolito. ¿Cuál es la corriente actual de la estructura, esa parte es por
lo general no afecta o se suministra con un cierto grado de protección. Cuando la
corriente sale de la estructura, se produce corrosión. En los trabajos subterráneos,
este tipo de corrosión se da a menudo y los resultados actuales de las corrientes
que entran en el suelo a partir de fuentes de corriente continua, tales como
sistemas de trenes eléctricos o máquinas de CC.
La corrosión galvánica es auto-generada por la actividad
resultante de las diferencias en los niveles de energía o potenciales que se
desarrollan cuando el metal se coloca en un electrolito. Estas diferencias pueden
surgir de la unión de metales diferentes, las variaciones en el electrolito, la falta de
homogeneidad del metal, o una combinación de los anteriores.
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STRAY DIRECTO corrosión por corrientes
Corrosión bimetálica
Actualmente se genera cuando dos metales diferentes están conectados
eléctricamente y se sumerge en un electrolito, uno de los metales se corroe. El
camino de la corriente será del metal que se corroe, a través del electrolito (suelo)
para el metal no se corroe y luego de vuelta a través de la conexión (conductor)
entre los dos metales. El metal que se corroe es aquel en el que la corriente deja
entrar en el electrolito y se llama un ánodo. El metal que recibe la corriente se
llama el cátodo.
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La misma estructura metálica, cuando se coloca en un electrólito (por ejemplo,
suelo) puede desarrollar diferencias en el potencial como resultado de la
composición de metal de grano, las imperfecciones de fresado, arañazos, hilos,
etc, siendo expuestos. Aquellas porciones serán generalmente, anódicas al resto
de la superficie y se corroen.
Corrosión galvánica de un metal de quemadura leve
La corrosión puede ocurrir debido a las diferencias en el electrolito. Estas
diferencias pueden estar en la resistividad del suelo, las concentraciones de
oxígeno, el contenido de humedad y diversas concentraciones de iones. Las
variaciones producir el flujo de corriente desde una ubicación, a través del
electrolito, a otra porción de la estructura metálica mismo.
Corrosión de concentración de oxígeno
La corrosión electrolítica y corrosión galvánica son similares en que la corrosión se
produce siempre en las zonas anódicas. La diferencia esencial entre los dos es
que en el caso de la corrosión electrolítica, el exterior por el hombre corriente
genera la corrosión; en la corrosión galvánica, el proceso natural de corrosión
genera la corriente. También hay una diferencia de polaridad. En una celda
electrolítica, el ánodo es el electrodo positivo; en una celda galvánica, el ánodo es
el electrodo negativo.
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Corrosión causada por la tierra distinta
Se ha establecido que la corriente eléctrica puede generar corrosión, la corrosión,
a su vez puede generar corriente eléctrica. Como se ha indicado por estos
fenómenos, es entonces posible para evitar la corrosión por el uso de corriente
eléctrica. Esto, a continuación, es la base para la protección catódica. Cuando la
corriente continua se aplica con una polaridad que se opone a los mecanismos de
corrosión naturales, y con una magnitud suficiente para polarizar todas las áreas
catódicas hasta el potencial de circuito abierto de las áreas anódicas, la corrosión
es detenida.
Las consideraciones teóricas indican que la base para la protección catódica no es
relativamente difícil de entender. Sin embargo, los diseños prácticos para diversas
aplicaciones pueden variar considerablemente en función del tipo de estructura a
proteger y se encontró con las condiciones.
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Mecanismo de control de la corrosión
La protección catódica es un método eléctrico de prevención de la corrosión de
estructuras metálicas situadas en los electrolitos. En aplicaciones prácticas, las
estructuras más comúnmente provistas de protección están construidas de hierro
o de acero (el acero inoxidable) y los electrolitos son más a menudo suelo y
agua. Otros metales comunes provistos de protección catódica se incluyen,
conducen los cables con cubierta de cobre y tuberías de aluminio, acero
galvanizado y hierro fundido. La protección catódica se ha utilizado también con
éxito en los electrolitos anormales, tales como hormigón, cloruro de calcio y soda
cáustica. Sin embargo, la gran mayoría de los sistemas de protección catódica se
utilizan para evitar la corrosión de estructuras de acero en el suelo y agua. La
protección catódica se ha convertido en un procedimiento estándar para muchas
estructuras tales como tanques de almacenaje subterráneos, tuberías, tanques de
almacenamiento de agua, cascos de buques y los interiores, puertas de seguridad
y las represas, instalaciones de tratamiento de agua, revestimiento de los pozos
de basura, estantes y las pantallas, tableros de puentes y pilotes de acero.
Ya en la Edad del Bronce, se observó que los metales no eran muy estables
cuando se someten a sus ambientes naturales como el suelo y el agua de
mar. Acerca de 1780, un fisiólogo, Luigi Galvani, informó sobre sus experimentos
con arcos metálicos de metales diferentes. Estaba estudiando la estructura
muscular de la rana. Se dio cuenta de que cuando las ranas fueron suspendidas
en un bastidor de hierro por medio de ganchos de cobre, se produjo un temblor en
los músculos de las piernas. Uno de los físicos más destacados de la época,
Alessandro Volta, fue capaz de demostrar que el fenómeno fue causado por la
electricidad producida por la diferencia de los metales en contacto con las
muestras biológicas.
En 1824, Sir Humphry Davy, el contrato para la Royal Navy, descubrió el principio
de la protección catódica para la mitigación de los procesos naturales de la
corrosión. Él estaba buscando un método para evitar la corrosión de los cascos de
madera con revestimiento de cobre de los barcos ingleses. Se adjunta palanquillas
de zinc al cobre y observó que el zinc se corroe para guardar el cobre. Hoy en día,
más de una y más tarde uno de los siglos y medio, los ingenieros de la corrosión
se sigue utilizando este mismo método para prevenir daños a la corrosión
mediante la aplicación de esta protección catódica de ánodos de zinc misma a los
buques de acero de todo el mundo.
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Métodos de aplicación
Existen básicamente dos métodos de aplicación de protección catódica. Uno de
estos métodos hace uso de ánodos que están energizados por una fuente de
alimentación externa de CC. En este tipo de sistema de protección catódica,
ánodos están instalados en el electrolito y están conectados al terminal positivo de
una fuente de alimentación de CC y la estructura que se va a proteger está
conectada al terminal negativo de la fuente. Debido a que la fuente de
alimentación es casi siempre una unidad rectificadora, este tipo de sistema se
refiere a menudo como un rectificador o sistema impresionado tipo actual.
Protección impresa por corriente catódica
El segundo método de protección hace uso de ánodos galvánicos que tienen un
nivel de energía superior o potencial con respecto a la estructura a proteger. Estos
ánodos están hechos de materiales, tales como magnesio o zinc, que son
naturalmente anódica con respecto a las estructuras de acero y están conectados
directamente a estas estructuras.
Sacrificio de protección catódica ánodo
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En la mayoría de los casos, el sistema de tipo rectificador está diseñado para
proporcionar las corrientes relativamente grandes de un número limitado de
ánodos, y el sistema de ánodo tipo galvánico está diseñado para proporcionar las
corrientes relativamente pequeñas de un gran número de ánodos. Cada método
de aplicación de protección catódica tiene características que lo hacen más
aplicable a un problema particular que el otro. Una comparación de estas
características es el siguiente:
COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DE CP
Galvánico Rectificador
No requiere alimentación externa requiere de alimentación externa
Fijo voltaje de conducción de tensión Ajustable voltaje
Fijo actual de corriente Fijo actual de corriente ajustable
Corriente limitada (10 a 50 miliamperios
típico)
ilimitado de corriente (de 10 a 100
amperios típico)
Normalmente se utiliza en menores de
electrolitos de resistividad
se puede utilizar en casi cualquier
entorno de resistividad
Por lo general se usa con estructuras
pequeñas o muy bien recubierto
puede ser utilizado en cualquier
estructura
$ / costo por unidad bajo $ / costo por unidad alto
$ / Sq alto. Pies. De metal proteger $ / Sq bajo. Pies. De metal proteger
mantenimiento bajo Mantenimiento más alto
No causa la corrosión en curso aislada Las corrientes de CC aisladas pueden
ser generado
Independientemente del tipo de sistema utilizado, la corriente fluye desde el ánodo
de protección catódica a través del suelo a la estructura a proteger. Cuando esta
corriente fluye sobre una estructura del electrolito que rodea (suelo), el potencial
de la estructura se hace más negativa. La protección catódica se logra cuando
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este cambio en el potencial es suficiente para detener la corrosión.
Parecería que la protección catódica puede lograrse simplemente por la aplicación
de corriente de magnitud suficiente. A pesar de esta afirmación es cierta, es
engañosamente simple, porque hay diferencias muy grandes en el diseño de
sistemas de protección catódica. Estas diferencias resultan de la infinita variedad
de estructuras que se van a ser protegido y de la gran variedad de entornos en los
que dichas estructuras están situadas. Debido a las grandes diferencias en los
diseños de sistemas necesarios para conseguir una protección, a menudo es
necesario para las estructuras existentes de que cada sistema de ser diseñado
para un lugar dado.
Con el fin de prevenir la corrosión, con protección catódica, la corriente debe fluir
desde el electrolito en la estructura en todos los lugares. Si una parte de la
estructura no recibe corriente, la actividad de corrosión normal continuará en ese
punto. Si alguna de la corriente de protección catódica recogida por la estructura
deja que la estructura a fluir de nuevo en el electrolito, la corrosión se acelera en la
ubicación donde la corriente se descarga. Como un ejemplo, cuando la tubería se
utiliza acoplado mecánicamente, esto puede ser discontinuo de una sección de
tubo a la siguiente. Si un sistema de ánodos tipo galvánico se utiliza para la
protección, puede ser necesario para instalar un ánodo en cada longitud de la
tubería o para unir eléctricamente a través de cada conjunto.
Si un tramo de tubería se descuida, que la longitud no recibirán la protección
catódica y la actividad normal de la corrosión continuará. Cuando un sistema de
tipo rectificador está instalado en un sistema de almacenamiento de tanque
subterráneo, es incluso más importante que el tanque y las líneas ser
eléctricamente continua. Si hay no continuas articulaciones, es posible para la
protección catódica de corriente para dejar la tubería o tanque a fluir alrededor de
la eléctricamente discontinua corrosión conjuntos causando en cada punto donde
la corriente sale de la superficie de la tubería. De manera similar, si la corriente de
protección catódica se aplica a una estructura en un área, es posible que otras
estructuras en la zona de estar expuestos a daños a menos que se tomen
medidas adecuadas. Posibles mediciones se utilizan para determinar si la
exposición perjudicial existe tal. Así como protección se indica cuando el potencial
de una estructura se hace más negativa, callejera corrosión actual se indica
cuando el potencial de una estructura se hace menos negativa como resultado de
la aplicación de la corriente de protección catódica.
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Materiales ánodo
Ánodos galvánicos
Corriente de protección generada por ánodos galvánicos depende de la diferencia
potencial inherente entre los ánodos y la estructura a proteger. Así, si la estructura
está hecha de hierro o acero, cualquier metal que es más activo en la serie de
fuerza electromotriz teóricamente puede ser utilizado como material del ánodo. En
la práctica, los materiales usados generalmente para ánodos galvánicos son el
zinc y magnesio. Aunque el aluminio es también un material que es más activo
que el hierro, que aún no ha demostrado ser un material efectivo del ánodo
galvánico para uso subterráneo a causa de las películas de polarización que se
acumulan en la superficie de aluminio como se corroe, dejar por ello la generación
de protección actual. En los últimos años, algunas aleaciones de aluminio se han
utilizado con éxito en aplicaciones de agua de mar y se está trabajando en las
aleaciones que pueden resultar eficaces en otras aplicaciones.
Cabe señalar que los ánodos galvánicos se consume en el proceso de generación
de corrientes de protección. La tasa de consumo depende de la magnitud de
corriente generada, así como el material del que está hecho el ánodo. Por
ejemplo, la tasa de consumo teórico de zinc es de 23,5 libras. por año amperios y
la de magnesio es de 8,7 libras. al año amperios. En la práctica real, no todo el
metal se consume en la generación de corriente que se consume en ismetal auto-
corrosión. El zinc es de aproximadamente 90% de eficiencia y magnesio es de
aproximadamente 50% de eficiencia. Por lo tanto, los kilos reales consumidas al
año de amperios de corriente de protección son 26 y 17 libras. para el zinc y
magnesio, respectivamente.
En aplicaciones subterráneas, estos ánodos son normalmente rodeado con un
relleno especial. El relleno es generalmente una mezcla de yeso, bentonita y
sulfato de sodio. Este relleno especial sirve para varios propósitos. En primer
lugar, proporciona un entorno uniforme para el ánodo, haciendo así la corrosión
del ánodo uniforme; segundo, el relleno disminuye la resistencia a la tierra del
ánodo al; tercero, que retiene la humedad y por lo tanto mantiene una resistencia
más baja, y cuarto, que actúa como un agente despolarizante.
Impresión de los ánodos de corriente
Cuando un sistema de tipo rectificador se utiliza, la corriente se deriva de una
fuente externa y no se genera por la corrosión de un metal particular como es el
caso de ánodos galvánica. Sin embargo, los materiales utilizados como ánodos se
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corroen energizados. Así, la tubería chatarra y rieles de acero que estaban en un
tiempo usado ampliamente como materiales de ánodo en los sistemas de tipo
rectificador, corroer a razón de 20 libras. al año amperios. Incluso un sistema
rectificador de relativamente pequeño, con una capacidad de sólo 10 amperios, se
consumen 2.000 libras. de acero en 10 años. Por lo tanto, más materiales de
ánodo se buscaron la vida. Los materiales que se utilizan hoy en día son casi
universalmente fundición de grafito de alta fundición de silicio y titanio recubierto
de óxido de metal precioso. En los trabajos subterráneos, rellenos especiales
coque se utilizan generalmente para el propósito de proporcionar un entorno
uniforme alrededor del ánodo y para bajar la resistencia ánodo-a-tierra.
Ejemplos
Estructuras subterráneas recubiertas
La economía a favor de la protección catódica de tuberías de esquí de fondo son
tan abrumadores, sobre todo en el gas de alta presión y las tuberías de aceite, que
prácticamente cada nueva línea de consecuencia, está dotado de protección
catódica casi inmediatamente después de su finalización. El Departamento de
Transporte de ha aprobado una ley federal que requiere que todos los productos
de petróleo, gas y gasoductos ser protegido catódicamente y que el nivel de
protección cumple con las normas y regulaciones designadas.
Nuevas estructuras se proporcionan generalmente con un buen recubrimiento de
alta resistividad que se aplica con las técnicas que dejan cantidades casi
insignificantes de la superficie expuesta a la tierra. Sin embargo, se reconoce que
un recubrimiento, no importa lo bueno o lo bien aplicado, nunca es perfecto.
La protección contra la corrosión proporcionada por el recubrimiento debe ser
complementada con la protección catódica con el fin de lograr la mitigación
completa de la corrosión.
Es importante entender que las estructuras recubiertas de desarrollar fugas dentro
de un período corto de tiempo que no revestir las estructuras. Esto es cierto
incluso aunque la pérdida total de metal sobre una estructura recubierta es
apreciablemente menor que en una estructura desnuda. Toda la actividad de la
corrosión se concentra en las vacaciones o roturas en la capa más que dispersa
uniformemente sobre toda la superficie, acelerando así la velocidad de corrosión
en los lugares de vacaciones.
Afortunadamente para el trabajo de protección, el propietario, revestimiento y
catódica muy bien juntos. Cuando un tanque o tubería está recubierto con uno de
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los materiales de alta calidad y estrechamente controlado técnicas de aplicación
que están disponibles hoy en día, una magnitud relativamente pequeña de
corriente puede proporcionar protección catódica completa para los tanques y
tuberías de su asociado.
Aunque la protección de las tuberías de cross country y parques de tanques
existentes rurales se suele realizar mediante los sistemas de tipo rectificador, el
uso de estos sistemas en áreas congestionadas a menudo es muy difícil debido a
los muchos problemas de interferencias creadas en las estructuras cercanas. Por
lo tanto, en las zonas congestionadas, los sistemas de tipo de ánodo de sacrificio
se utilizan más a menudo.
Un ejemplo fue el de un pozo revestido 10.000 galones del tanque de
almacenamiento subterráneo situado en Detroit, Michigan. Se protegido
ampliamente con un ánodo instalado en un extremo del tanque con una salida de
corriente total de menos de 10 miliamperios de corriente. El hecho de que los
ánodos de sacrificio se han instalado en más de 200.000 y recubiertos con
tanques de almacenamiento subterráneos sin una sola descarga de productos
relacionados con la corrosión es un testimonio de la eficacia de este enfoque.
En muchos casos, el espaciamiento de los ánodos se puede extender a 100 - 500
pies o más de diámetro pequeño en la tubería enterrada, dependiendo de la
calidad del revestimiento y las condiciones ambientales. Como consecuencia,
muchas compañías en años recientes han establecido programas en los que los
ánodos de magnesio están instalados en pre-seleccionados espaciamientos como
la tubería de revestimiento está bien establecida.
Estructuras vacías subterráneas
Los problemas que se presentan en el intento de proporcionar protección catódica
para las estructuras desnudas son mucho más difíciles que los de las estructuras
revestidas. La mayor dificultad se presenta debido a la magnitud mucho mayor de
la corriente requerida. En un tanque de almacenamiento subterráneo bien
revestido, no es inusual para ser capaz de proporcionar protección con infrecuente
tener varias unidades rectificadoras en una granja de tanque gran complejo.
Debido a la exigencia mucho mayor actual, los problemas de interferencia se
pueden crear en otros sistemas cercanos subterráneos de servicios públicos. En
los sistemas que utilizan ánodos de sacrificio, el número de ánodos necesarios es
igualmente mucho mayor en las estructuras desnudas que en recubierta.
Hemos visto un ejemplo en el que un ánodo era suficiente para proporcionar
protección a un tanque de galón recubierto 10.000. Por otro lado, un mal
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recubierto o desnudo 10.000 galones del tanque puede requerir más de 1,5
amperios para lograr el control de la corrosión eficaz. Para un sistema de tuberías
desnudo UST en Ohio que consta de 1.200 metros de tubería de diámetro 3 ", 2
amperios de corriente se requiere para control de la corrosión completa. Si ánodos
de magnesio se seleccionaron para su uso, más de 60 ánodos sería necesario.
Conclusión
La protección catódica es un medio muy adaptable y eficaz de prevención de la
corrosión en una variedad de estructuras subterráneas o bajo el agua. Hay
básicamente dos tipos de sistemas: a saber, la corriente galvánica e
impresionada. Cada uno tiene características que lo hacen más adaptable "en
determinadas circunstancias. Diseños de protección catódica puede variar
considerablemente dependiendo del recubrimiento, la configuración de la
estructura, el medio ambiente y la presencia de estructuras vecinas. Cuando un
sistema está diseñado, instalado y mantenido adecuadamente, la protección
catódica es uno de los métodos más eficaces y económicos para prevenir la
corrosión.