Fundamentos de La Corrosion Galvanica
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FUNDAMENTOS DE CORROSION GALVANICA
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INDICE
1. Introducción -Corrosión Seca. -Corrosión Húmeda
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2. Corrosión Galvánica Pág. 4
3. Electrolisis y Corrosión Pág. 5 – 6
4. Corriente Eléctrica Durante la Corrosión Pág. 7
5. Tipos de Corrosión -Corrosión Electroquímica. -Corrosión Microbiológica. -Corrosión por Oxigeno. -Corrosión por Presiones Parciales de Oxigeno. -Corrosión Galvánica. -Corrosión por Actividad Salina Diferenciada.
Pág. 7 Pág. 8 Pág. 8 Pág. 9 Pág. 9 Pág. 9
6. Efectos Prácticos de la Corrosión Galvánica -Métodos de Protección. -Protección Catódica. -Protección Anódica. -Selección de Materiales.
Pág. 10 Pág. 10 Pág. 10 Pág. 11 Pág. 11
7. Recubrimientos -Recubrimientos Metálicos. -Recubrimientos Inorgánicos. -Recubrimientos Orgánicos. -Diseño.
Pág. 11 Pág. 11 Pág. 12 Pág. 12 – 13
8. Consideraciones del Entorno Pág. 14
9. Pruebas para Determinar el Grado de Corrosividad -Observación Directa. -Análisis Microscópico Superficial. -Análisis con Microscopio Electrónico. -Análisis de Defectos Superficiales. -Análisis de Variaciones de Peso. -Determinación de la Disminución de Espesor. -Análisis de la Profundidad y Naturaleza del Ataque Corrosivo
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10. Conclusión Pág. 17
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CORROSION GALVANICA EN ESTANQUES
Author: Jorge A. Carrasco Original Document: May 1999 - Review 1: August 2003 – Review 2: March 2008
INTRODUCCION
La Corrosión es un proceso químico o electroquímico que genera una reacción entre un metal y el ambiento que lo rodea. Esta reacción, genera el deterioro del metal y la pérdida de alguna de sus propiedades.
La corrosión se conoce también como la remoción no deseada de material desde un metal.
La corrosión se manifiesta como la tendencia de los metales para volver a su estado natural, el cual es termodinámicamente el más estable. La corrosión es un proceso primordialmente electroquímico, con la excepción de las reacciones corrosivas que se producen consecuencia de temperaturas elevadas, las cuales son parte de un proceso químico. La transmisión de corriente, en las pilas electroquímicas, es mediante corriente continua.
Podemos dividir la Corrosión en dos tipos:
Corrosión Seca
En este tipo de corrosión, el ataque se produce consecuencia de una reacción química, sin la intervención de ninguna fuente externa de corriente eléctrica. Generalmente, este tipo de corrosión se genera por la acción de gases a alta temperatura.
Corrosión Húmeda
La corrosión húmeda es un fenómeno electroquímico, Cuando dos metales diferentes están en contacto con una solución conteniendo sales, se forma un potencial eléctrico que causa la disolución del metal menos noble.
Mientras más conductiva es la solución, más eficiente es el proceso de corrosión.
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CORROSION GALVANICA
La corrosión galvánica, es altamente destructiva para los metales y se genera cuando dos metales distintos están en contacto con un medio electrolítico. La facilidad con que los metales se corroan, dependerá de la temperatura, la salinidad o corrosividad del fluido en contacto con el metal, de las propiedades de los metales en cuestión y de su diferencia de potencial. Llamaremos diferencia de potencial a la fuerza que impulsara la corrosión. Conforme a esto, mientras mayor sea la conductividad del medio, mayor será la corrosión.
El metal que sufre los efectos de la corrosión es el metal activo. El metal que no sufre daño aparente, se conoce como metal noble.
En la etapa de diseño de un proyecto, es importante considerar la relación de áreas entre un metal activo y un metal noble. Un área de metal noble más extensa en relación con el metal activo, acelerará la corrosión. Por el contrario, un área más extensa de metal activo en relación con la de metal noble, disminuirá la corrosión, aun cuando no la eliminara.
La corrosión Galvánica que afecta a Estanques dedicados particularmente al transporte o al almacenamiento de productos corrosivos, incluyendo a sus cañerías, válvulas y accesorios; puede eventualmente producir un proceso de destrucción progresiva de un metal, mediante la acción combinada del producto químico, sumado al efecto que se produce al tomar contactar un electrolito con dos metales distintos.
Mayor voltaje de la Célula ~ Mayor Flujo de Corriente = Mayor Corrosión
Si tomamos como ejemplo el sistema de descarga de un Estanque que almacena o transporta un corrosivo, se puede presentar el paso de electricidad entre metales distintos conectados físicamente entre sí, o deficientemente aislados; condición que generará un efecto de corrosión galvánica progresiva en el metal menos noble.
Acero Carbono + CORROSIVO
Fierro
Aluminio METALES
Zinc MENOS NOBLES
Magnesio
Acero Baja Aleación
Acero Inoxidable
Cobre METALES
Titanio NOBLES
Bronce
Latón - CORROSIVO
Como se indica en el diagrama, los Metales Comunes presentan un rango de corrosión más acelerado que los Metales Nobles.
Conforme a esto, es importante entender que para evitar la Corrosión Galvánica, se deben usar metales del mismo tipo en un sistema de conducción de químicos. (incluyendo sus conexiones)
Si esto no es posible, la Corrosión Galvánica se puede atenuar implementando un mecanismo de aislación que dificulte el flujo eléctrico entre metales distintos.
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ELECTROLISIS Y CORROSION
Para entender mejor la Corrosión Galvánica, es importante conocer cierta información relevante respecto al proceso de electrolisis.
En una pila galvánica, la reacción química produce un flujo de corriente eléctrica. Es decir, la energía química se convierte en energía eléctrica.
En una célula electrolítica, el flujo de corriente produce una reacción química. Es decir, la energía eléctrica proporcionada por una fuente externa, se convierte en energía química.
La electrolisis se produce se facilita cuando el compuesto es un acido, una base fuerte o una sal en disolución.
ELECTROLISIS (Electro = Electricidad – Lisis = Ruptura)
El proceso de Electrolisis involucra la disolución de un electrolito en un disolvente, generándose la separación de esta substancia en iones.
Este fenómeno se puede llevar a cabo fácilmente al sumergir una lámina de Metal Noble y una de Metal Común (electrodos), en una solución electrolítica y hacer pasar por la solución una carga eléctrica continua, generándose entre ambos metales una diferencia de potencial eléctrico.
El electrodo conectado al polo negativo se convertirá en un Cátodo y el electrodo conectado al polo positivo se convertirá en un Ánodo, generándose una reacción de Oxidación/Reducción.
La Celda electrolítica en la cual se produce
el proceso electroquímico está compuesta
tres componentes: un ánodo, un cátodo y un
electrolito.
El electrolito es la solución conductora de
las cargas eléctricas generadas.
El ánodo es el metal (electrodo) sujeto a
corrosión. El metal corroído pasa a través
del electrolito en forma iones cargados
positivamente y liberando electrones que
participan de la reacción catódica.
El cátodo es otro metal, el cual en contacto
con el ánodo, forma el otro electrodo de la
celda. Este electrodo no es consumido por
el proceso de corrosión.
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La corriente de corrosión entre el ánodo y el cátodo está formada por electrones
que fluyen dentro del metal y por iones que fluyen en el electrolito.
Cuando un elemento químico cede electrones y estos migran hacia otro
elemento, el elemento emisor se convertirá en un ánodo y en él se producirá
oxidación.
El elemento receptor se comportara como un cátodo y en él se producirá
reducción.
La gran diferencia entre la corrosión Galvánica y la corrosión Electrolítica radica en que en esta última, la corriente no la genera una diferencia de potencial entre dos metales, sino que una fuente de energía externa.
La velocidad de la Corrosión Galvánica sobre el metal común, dependerá de las propiedades del electrodo, de las características físico-químicas del electrolito, de las condiciones de humedad, temperatura, etc. Conforme a esto, es importante considerar los múltiples factores que inciden sobre un sistema de almacenamiento y transferencia de químicos, al seleccionar los componentes que lo integrarán y las condiciones de trabajo y ambientales a que estará sometido.
Para que se produzca Corrosión Galvánica, deben generarse las siguientes condiciones:
1.) Debe haber un Ánodo. .
2.) Debe haber un Cátodo
3.) Debe haber un Electrolito
4.) Debe haber una conexión eléctrica entre en Ánodo y el Cátodo.
Cada semi-par está asociado a un potencial de reducción. El metal o elemento químico que exhiba un potencial de reducción con una tendencia predominantemente positiva, generara una reducción. Por otra parte, aquel metal que exhiba un potencial de reducción con una tendencia predominantemente negativa, generara una oxidación.
Este par de metales constituye una pila galvánica, en donde el elemento que se oxida –ánodo - cede sus electrones y el elemento que se reduce - cátodo - acepta electrones. Esto es lo que provoca en la pila galvánica que el cátodo se polarice negativamente y el ánodo se polarice positivamente.
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LA CORRIENTE ELECTRICA DURANTE LA CORROSION
En un proceso de corrosión electroquímica, las corrientes eléctricas recorren regularmente al metal expuesto al efecto corrosivo. Estas corrientes eléctricas son las que originan el ataque. Algunas de sus causas son:
El contacto de dos metales distintos. (corrosión galvánica). Presencia de fases diferentes en una misma aleación. (aleaciones termo-
tratables de aluminio, acero inoxidable sensibilizado, etc.) Presencia de una capa de óxido conductora de electrones. (Oxido de
laminación en planchas de hierro, aceite quemado al interior de una cañería de cobre, etc.)
Grado de aireación distinto de una pieza metálica. En aquellas zonas en las que escasea el oxígeno, una pieza metálica se puede comportar como un ánodo, al estar unida a una zona con buena aireación.
Corrientes inducidas por circuitos eléctricos mal aislados. (Por ej.: corrientes vagabundas en estructuras metálicas enterradas)
Presencia de oxidantes en el medio. Estos causan la disolución electroquímica de un metal aún cuando este sea puro, pese a que no exista una segunda fase y la pieza se encuentre aislada de otros metales.
TIPOS DE CORROSION MAS COMUNES
Corrosión Electroquímica
Se presenta cuando en una misma superficie metálica ocurre una diferencia de potencial en zonas muy próximas entre sí. Se producirá entonces una migración eléctrica desde la zona en que se verifica el potencial de oxidación más elevado (área anódica), hacia aquella donde se verifica el potencial de reducción más bajo. (área catódica)
La interacción de estas dos semi reacciones, genera una pila de corrosión electroquímica.
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Corrosión microbiológica
Es una forma de corrosión electroquímica y se presenta cuando actúan ciertos microorganismos (ferro-bacterias) con la capacidad de causar corrosión en superficies metálicas sumergidas.
Este tipo de corrosión se manifiesta con picaduras sobre el metal (pitting).
Corrosión por oxígeno
Forma de corrosión que afecta generalmente a superficies expuestas al oxígeno di-atómico disuelto en agua o al aire.
Esta corrosión se acelera ante la presencia de alta presión o temperaturas elevadas.
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Corrosión por presiones parciales de oxígeno
Este tipo de corrosión se manifiesta eventualmente cuando hay oxígeno presente al interior de una tubería, sumado a la condición de presiones distintas al interior de la misma. Cuando esto ocurre, segmentos de la tubería reciben más aireación que otro segmento adyacente, formándose una pila.
El área expuesta a una aireación menor (menor presión parcial), actuará como ánodo y la expuesta a una mayor presencia de oxígeno (mayor presión parcial) actuará como un cátodo, generándose una migración de electrones, oxido en un segmento y reducción en la otra parte de la pila.
Este tipo de corrosión es común en superficies irregulares donde se producen obturaciones de oxígeno.
Corrosión galvánica
Es la más común de todos los tipos de corrosión y se produce cuando dos metales distintos se convierten uno en ánodo y otro en cátodo. Aquel metal que manifieste un potencial de reducción predominantemente negativo generara oxidación y aquel metal que manifieste un potencial de reducción predominantemente positivo generara una reducción.
Este par de metales constituye lo que se conoce como pila galvánica, por lo cual, el metal que se oxida (ánodo) cederá sus electrones y el metal que se reduce (cátodo) aceptara los electrones.
Corrosión por actividad salina diferenciada
Esta corrosión se manifiesta principalmente en calderas de vapor, cuando la superficie metálica expuesta a diferentes concentraciones salinas genera de manera intermitente una pila galvánica, donde la superficie expuesta a la menor concentración salina se comportara como un ánodo.
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EFECTOS PRACTICOS DE LA CORROSION GALVANICA
Esta forma común y acelerada de corrosión, puede ocurrir cuando metales distintos se unen eléctricamente en presencia de una solución conductiva. (Electrolito). Esto ocurre con particular frecuencia cuando en una tubería se intercalan metales distintos y estos están conectados directamente o deficientemente aislados.
El efecto de la corrosión galvánica puede ser uniforme o localizarse en la unión entre aleaciones, dependiendo de las condiciones.
Esta forma de corrosión es la que produce una Pila Galvánica y se manifiesta cuando consecuencia de la reacción de oxidación del ánodo se desprenden electrones de la superficie del metal que actúa como el polo negativo de la pila (ánodo). Esto produce un desprendimiento paulatino pero constante de material desde la superficie del metal.
METODOS DE PROTECCION
Para prevenir la corrosión se pueden implementar varios métodos de control:
Protección catódica, recubrimientos, selección adecuada de materiales, etc.
De todos los métodos de protección el más sencillo y económico es el uso de una barrera aislante que impida que metales distintos se unan.
Protección Catódica
Cuando un metal se convierte en el cátodo de una Pila Galvánica, existe la alternativa de recubrirlo con un metal que se corroa más fácilmente, de forma tal que el recubrimiento de metal se corroa antes que el metal que está siendo protegido, evitando así una reacción corrosiva.
Un método muy conocido de Protección Catódica es la Galvanización. Esta consiste en aplicar sobre un metal una película de Zinc para que ésta se corroa antes que el metal.
Esta acción convierte al Zinc en un Ánodo de Sacrificio.
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Protección Anódica
Un mecanismo de protección similar consiste en recubrir el metal que se desea proteger con película fina de óxido. Existen metales como el Aluminio que al contacto con el aire son capaces de generar espontáneamente una capa de óxido y por lo tanto, se hace resistente a la corrosión.
Aún así, la capa de óxido que recubre al metal tiene que reunir algunas características especiales Debe ser adherente y resistente, en caso contrario no prestara la protección deseada al ánodo. El óxido de hierro por ejemplo, no tiene la capacidad de proteger al hierro, por su baja capacidad de adherencia.
Selección de materiales
Otro aspecto alternativo en el control de la corrosión, es una adecuada selección de los materiales que se utilizaran en los componentes. Conforme a esto, es importante considerar lo siguiente:
Para una condición reductora como la que generan los ácidos y las soluciones acuosas libres de aire, se recomienda usar aleaciones de Níquel y Cromo.
Para una condición oxidante se recomienda utilizar una aleación que contenga Cromo.
Para una condición altamente oxidante, se aconseja la utilización de Titanio. Aun cuando los recubrimientos cerámicos son resistentes a la corrosión y a
las temperaturas elevadas, se quiebran con facilidad. Conforme a esto, su uso se limita a procesos que no involucren riesgos de impacto o intercambios violentos de energía. .
RECUBRIMIENTOS
Recubrimientos metálicos
Los recubrimientos se aplican en capas finas que separan la condición de corrosividad del metal, transformándose en ánodos de sacrificio que se corroerán en lugar del metal. Las películas galvanizadas son un buen ejemplo. Un recubrimiento continúo de zinc y estaño aísla el acero respecto al electrolito, no obstante, una falla en la aplicación impedirá una protección eficiente. Cuando el riesgo de corrosión es muy alto, es recomendable evaluar la posibilidad de utilizar un recubrimiento especializado.
Recubrimientos inorgánicos
En algunos casos se hace necesario aplicar recubrimientos compuestos de material inorgánico. Los más utilizados son los recubrimientos cerámicos y los vítreos. No obstante, si no se cubre completamente el ánodo, se producirá una corrosión acelerada.
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Recubrimientos orgánicos
El uso de pinturas, lacas, barnices y algunos otros materiales orgánicos, han dado buen resultado en el control de la corrosión. Estos materiales proveen barreras muy duraderas que protegen adecuadamente al metal.
El uso de una película orgánica, protege al metal de la corrosión con mayor eficiencia que varios métodos alternativos. Debe considerarse eso si que existen procesos que incluyen tratamientos con alcoholes. Estos pueden eventualmente disolver las aplicaciones orgánicas.
Diseño
Este quizá el método más efectivo para el control de la corrosión, ya que si desarrolla una buena Ingeniería conceptual y de detalle, se puede prácticamente eliminar el riesgo de corrosión galvánica desde los componentes de un sistema de transporte, transferencia o almacenamiento.
A continuación se detallan sugieren algunas reglas de uso común:
Considerar la acción penetrante de la corrosión y los esfuerzos mecánicos de los componentes al definir el espesor del metal utilizado. Esta recomendación aplica a estanques de almacenamiento, estanque dedicados al transporte y tuberías que conteniendo líquidos. Consideración especial se debe tener si estos líquidos son corrosivos.
El tipo de soldadura y la calidad de soldadura es fundamental para evitar la corrosión por grieta
Se deben usar preferiblemente metales similares (con el mismo potencial eléctrico) para prevenir la corrosión galvánica.
Si se acoplan, sueldan, ensamblan o atornillan metales distintos, se deben usar sellos no metálicos o recubrimientos especializados que permitan descartar cualquier contacto eléctrico entre los materiales.
Es preciso evitar tensiones y flechas excesivas en entornos corrosivos, con el fin de evitar las rupturas por esfuerzos, en puntos debilitados por corrosiones escondidas.
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Se deben evitar conexiones con ángulos muy restringidos en los sistemas de tuberías por donde circulan fluidos. Si en estas tuberías se producen cambios de dirección bruscos del fluido, se incrementa el riesgo de 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 aquellos componentes que se sabe que serán atacados por la corrosión al cabo de un tiempo, de forma de poder reemplazarlos fácilmente.
Nivel del Suelo
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CONSIDERACIONES DEL ENTORNO
Las condiciones ambientales son muy importantes para el control de corrosión. Algunas consideraciones sugeridas son::
Bajar la temperatura del químico. Al hacerlo se disminuye la velocidad de la corrosión.
Disminuir la velocidad de transferencia de los líquidos corrosivos. Al disminuir la velocidad, se reduce la corrosión por erosión.
Eliminar el oxigeno de las soluciones acuosas. A; hacerlo. se reduce la corrosión. (especialmente en las calderas de agua)
Reducir la concentración de los iones corrosivos de una solución que esta corroyendo un metal puede hacer que disminuya la velocidad de corrosión. Esto se utiliza principalmente en aceros inoxidables.
La adición de inhibidores (catalizadores de retardo), disminuye las probabilidades de que se genere corrosión. Algunos de estos inhibidores pueden ser:
a. Inhibidores de Absorción: Estos forman una película protectora b. Inhibidores barrenderos: Eliminan el oxigeno.
En general, los inhibidores son productos químicos que se le agregan al electrolito y que se posicionan preferentemente en la superficie del ánodo o del cátodo y producen polarización por concentración o por resistencia.
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PRUEBAS PARA DETERMINAR EL GRADO DE CORROSIVIDAD
Los resultados de los ensayos de corrosión se establecen a partir de las variaciones de la superficie del material, y del agente corrosivo.
Observación Directa
La observación por parte de un Especialista de una superficie metálica expuesta a la corrosión, es el método de evaluación y análisis más profusamente utilizado en el mundo.
El sistema de observación directa permite establecer la forma y la cantidad en que los productos de la corrosión se han depositado sobre la superficie metálica. Es importante considerar en todo caso, que pueden existir efectos no detectables a simple vista. En estos casos es más importante aun la acción predictiva del Especialista.
Análisis Microscópico Superficial
En las investigaciones modernas se utilizan observaciones en campo claro, campo oscuro, iluminación oblicua y contraste de fase. Puede ser de mucha utilidad el empleo de luz polarizada o ultravioleta.
Análisis con Microscopio Electrónico
El microscopio electrónico es de gran utilidad para aquellos casos que exijan análisis de elevada resolución que permitan reconocer pequeñas diferencias locales de la calidad superficial del metal.
Análisis de Defectos Superficiales – Grietas y Fisuras
En la corrosión se producen con frecuencia defectos superficiales cuyo reconocimiento es importante para juzgar el proceso de ataque sobre el metal. Es importante saber que muchas veces, la detección de grietas y fisuras requiere no solamente de un ojo entrenado, sino que también de algún sistema que permita visualizar el metal con un mejor nivel de detalle.
Para conformar la presencia de grietas y fisuras, se han desarrollado una serie de ensayos no destructivos. Los más conocidos son el de la lechada de cal, humectación con líquidos fácilmente volátiles, el empleo de materiales fluorescentes, el uso de polvos magnéticos, indicadores radiactivos y equipos de ultrasonido.
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Análisis de Variaciones de Peso
En muchos análisis de corrosión se mide la magnitud de esta por las variaciones de peso detectadas. Para ello es necesario conocer el peso y las dimensiones de las probetas cubiertas por los productos de la corrosión. Para esto es importante conocer el peso de la probeta con estos productos adheridos.
Para establecerlo, se secan las probetas a 150°C y se enfrían luego en un desecador. Posteriormente se pesan.
Una vez finalizado este proceso, se elimina la capa de los productos de corrosión. En este desprendimiento hay que tener cuidado de no afectar el metal. Como mecanismo de control, se someten al mismo tratamiento las probetas que sufrieron el ensayo de corrosión y aquellas no corroídas.
Determinación de la Disminución de Espesor
Uno de los métodos de análisis más fáciles de realizar, es la determinación de la disminución del espesor. En el caso de un ataque corrosivo uniforme, esta disminución se puede calcular a partir de la pérdida de peso.
Análisis de la Naturaleza y Profundidad del Ataque Corrosivo y Variaciones Estructurales
El análisis metalográfico de las probetas pulidas, cortadas normalmente desde la superficie corroída de una pieza metálica, permite una observación adecuada del proceso corrosivo.
Para evitar que en la preparación se altere el borde correspondiente a la superficie, suele ser necesario el montaje de la probeta en resinas artificiales. Actualmente se acepta el empleo de polvo de diamante para pulir muestras de aleaciones corroídas o descascaradas.
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CONCLUSION
Las razones que inciden en la importancia de los efectos de la corrosión son variadas. Algunas de estas razones se relacionan con la continuidad de las operaciones, los costos de mantención, la seguridad y por supuesto… el impacto económico.
En USA, el impacto económico anual de la corrosión, alcanza anualmente a unos 300 billones de dólares.
Las estimaciones de costos, permiten afirmar que los efectos de la corrosión alcanzan aproximadamente al 3% del PBI de un país.
La corrosión cuando no se controla o previene adecuadamente, reduce drásticamente la vida útil y la eficiencia proyectada de equipos, componentes, accesorios e instalaciones, clasificándose en pérdidas directas e indirectas.
Pérdidas Directas
Son aquellas relacionadas con la reposición de equipos, componentes, accesorios e instalaciones que puedan quedar fuera de operación consecuencia de la corrosión.
Pérdidas Indirectas
Son aquellas que afectan la continuidad de las Operaciones, generan disminución del rendimiento proyectado, causan accidentes e incidentes, daños al producto, contaminación, aumento de gastos de mantención, disminución de rangos de vida proyectados de elementos metálicos, etc.
Existen aspectos asociados a la corrosión que no se han podido aun estimar. Estos son aquellos relacionados con los daños a la integridad física de las personas. (pérdida de vidas, mutilaciones, quemaduras, fracturas, etc.) Estos eventos tienen directa relación con los efectos de la corrosión: colapso de una escalera oxidada, derrumbe de una pasarela o un puente, estallido de una caldera, rotura de un flange, de un estanque o de una cañería que transporta un material peligroso, etc.
Aproximadamente el equivalente al 12% de la producción mundial de acero se pierde anualmente consecuencia de la corrosión.
