ELECTRODOS DE REFERENCIA.
Los procesos que tienen lugar en la interfase metal-solución de cualquier metal en contacto con un electrolito no se puede medir de manera absoluta ya que el metal tiene tendencia a disolverse, con lo que queda cargado negativamente, y por otro lado a que los iones del electrolito se depositen sobre el metal. Se ha creado entonces una diferencia de potencial y para medirla se adoptó un electrodo patrón (que es el electrodo normal de Hidrógeno) que esta constituido por una lámina de platino-platinado, sobre la cual se hace burbujear hidrógeno gas a una presión de una atmósfera, sumergida en una solución ácida, cuya actividad de iones es la unidad.
Las dificultades operativas que se presentan en el manejo de un electrodo de hidrogeno, demasiado frágil para la mayoría de las aplicaciones prácticas.
Como electrodos de referencia se utilizan: Electrodo de Calomelanos, electrodo de plata/cloruro de Plata (Ag/AgCl), electrodo de Zinc (Zn), electrodo de Cobre/ sulfato de cobre (Cu/ CuSo4).
CORROSIÓN ELECTROQUÍMICA.
Si una celda electroquímica produce energía eléctrica, causada por el consumo de energía química tenemos una celda galvánica o pila. Si la celda consume corriente externa, almacenando energía química tenemos una celda electrolítica. Una celda de corrosión es una celda en la cual las reacciones electroquímicas conducen a la corrosión.
El ánodo es el electrodo 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. La reacción anódica es una oxidación y la reacción catódica una reducción. Para intentar parar la corrosión se usan los métodos electroquímicos, pero requieren de un cambio en el potencial del metal y que disminuya su disolución.
Fundamentos para la protección catódica: Los sistemas de protección contra la corrosión están basados en la eliminación de los ánodos, cátodos y electrolitos para hacerlos inoperables. El procedimiento que elimina todos los ánodos de la superficie metálica haciéndola toda catódica, se le conoce como protección catódica. Los diferentes métodos de protección contra la corrosión son: Protección catódica con ánodos galvánicos o de sacrificio y protección catódica con corriente impresa. Desde el punto de vista de la termodinámica, la protección catódica se basa en la existencia de un potencial y de una zona de inmunidad, en el correspondiente diagrama de estabilidad termodinámica. Desde el punto de vista cinético, en un sistema existe un balance perfecto entre las reacciones anódicas y catódicas sobre la superficie del metal. Cuando la cinética es tal que una pequeña variación en la corriente catódica provoca una gran variación en la corriente anódica, se dice que el sistema esta bajo control anódico.
PROTECCIÓN ANODICA CON ÁNODOS GALVÁNICOS.
Se le atribuye a Davy la paternidad del descubrimiento de la protección catódica. La realización de la protección con ánodos de sacrificio o galvánicos se lleva a cabo con tres metales característicos: zinc (Zn), Magnesio (Mg), Aluminio (Al) y sus aleaciones.
Se puede calcular la intensidad de corriente que es capaz de suministrar 1 kg. de metal en su actuación anódica, pero no se tiene en cuanta su forma Geométrica, además aquí el valor obtenido es del 100% y nunca se puede alcanzar en la práctica. La vida para cada valor de intensidad de corriente será en función del peso del ánodo (ley de Faraday) y no el número de ánodos que se coloquen. Para conocer el número de ánodos que se van a necesitar debemos conocer la intensidad total necesaria para la protección catódica entre la intensidad que es capaz de suministrar un ánodo. Las cuatro propiedades que permiten apreciar el valor de un metal o aleación para ser utilizado como ánodo de sacrificio son: El potencial de disolución, el rendimiento de corriente, la polarizabilidad y la homogeneidad en la corrosión del ánodo. La aleación Al-Hg-Zn se alcanzan rendimientos del 95%, esta aleación y la de Al- In -Zn son las más utilizadas en la actualidad. Como ánodo galvánico o de sacrificio el Zn se utiliza masivamente. El Al es el metal idóneo para la protección catódica, sin embargo el Mg puede utilizarse también, pero en estructuras provistas de una resistividad elevada.
La protección con ánodos de sacrificio puede utilizarse cuando se requiere de una corriente pequeña y la resistividad del medio agresivo es baja.
PROTECCIÓN CÁTODICA POR CORRIENTE IMPRESA.
Se utiliza la corriente suministrada por una fuente continua para imprimir la corriente necesaria para la protección de una estructura. Este sistema de protección tiene la característica de que utiliza como ánodo dispersor de la corriente (electrodo auxiliar) materiales metálicos que en menor o mayor grado se consumen con el paso de la corriente. El sistema de corriente impresa requiere una fuente de corriente continua. Los aparatos que permiten el paso de la corriente en un solo sentido se conocen con el nombre de rectificadores, estos aparatos se alimentan con corriente alterna. El dínamo con motor eléctrico permite la protección catódica en donde no existe posibilidad de suministrar energía eléctrica. Los ánodos auxiliares son utilizados, pues los ánodos son consumidos a menor o menor velocidad con el paso de la corriente, los electrodos utilizados son: chatarra de hierro, ferrosilicio, grafito, titanio platinado, tántalo platinado, plomo-plata, titanio-óxido de titanio y óxido de rutenio. Para considerar un ánodo como auxiliar debe reunir ciertas propiedades:
Bajo consumo, densidad de corriente erogada elevada, pequeñas dimensiones, baja resistividad, buena resistencia mecánica, y elevado potencial de ruptura.
Los ánodos utilizados en la corriente impresa se dividen de acuerdo a su consumo en:
Ánodos solubles, semiinertes e inertes.
CÁLCULO DE LA PROTECCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LOS ÁNODOS.
El cálculo de un sistema de protección catódica con corriente impresa es sencillo con respecto a los ánodos galvánicos, pues una vez establecida la corriente total de protección, se elige el tipo de ánodo y teniendo en cuenta la densidad de corriente máxima se puede suministrar cada ánodo.
La ventaja más importante de este método es su posibilidad de proteger una superficie con un solo ánodo, sin embargo este sistema debe ser proyectado con cuidado para no causar problemas de corrientes erráticas, las cuales pueden provocar la corrosión en estructuras vecinas. El criterio de potencial se refiere sólo a la aplicación de la protección catódica para eliminar o reducir dentro de los límites aceptables, la corrosión generalizada de una determinada estructura. Sin embargo desde el punto de vista termodinámico se puede aplicar el criterio basado en consideraciones termodinámicas donde se podría escoger el valor del potencial de equilibrio de la reacción de corrosión como potencial de protección. El potencial de protección puede definirse como aquel en el cual cualquier aumento del grado de protección implica poco costo, ligado directa o indirectamente al aumento de la corrosión necesaria, con la ventaja de que se deriva de la consecuente disminución de la velocidad de corrosión. En la determinación del potencial de la estructura a proteger se puede incurrir en algunos errores, ligados sobre todo a una mala situación del electrodo de referencia. Cuando se trata de medir el potencial de una tubería enterrada se toma el electrodo de Cu/CuSO como referencia.
La protección catódica en instalaciones marinas es imprescindible para el mantenimiento de estas estructuras, dada la agresividad de del mar. La medida de la estructura protegida busca:
1.- La medición del potencial de la estructura protegida para verificar el criterio termodinámico.
2.- La medición del potencial de algunos ánodos de sacrificio representativos, para verificar su buen comportamiento.
Pueden utilizarse diferentes métodos para la determinación de la intensidad o de la densidad de corriente de protección o de la densidad de la corriente de protección, ya sea por un método experimental de polarización. Para cualquier método que pueda ser empleado, la densidad de la corriente de protección ha sido determinada en función del estado superficial del acero y es necesaria para la protección catódica de estructuras enterradas donde la velocidad de corrosión del suelo varía. Un factor importante para conocer la agresividad de un suelo es el conocimiento de su resistividad.
CORROSIÓN EN LOS SUELOS.
El suelo generalmente es un medio heterogéneo en donde se dan muchas variaciones en la velocidad de corrosión de los metales. La velocidad de corrosión está ligada a la resistividad del terreno. La resistividad de un terreno depende, en particular, de su estructura, de las dimensiones de sus partículas constituyentes, de su porosidad y permeabilidad, de la húmeda y de su contenido de iones. En lo que se refiere a la acidez, los suelos muy ácidos pueden motivar una rápida corrosión del metal al desnudo, y la agresividad del suelo aumenta.
En cualquier electrolito que sea homogéneo existen diferencias en la concentración de aire disuelto, esta por lo tanto es una causa de corrosión.
La corrosión galvánica tiene lugar cuando se ponen en contacto dos metales diferentes. Se puede incluir a este tipo de corrosión el caso de la asociación de un conducto viejo y oxidado con un conducto nuevo. Para determinar si puede utilizarse la protección catódica para prevenir la corrosión de una estructura enterrada, se debe conocer en primer lugar, como medir la resistividad del suelo o terreno.
La unidad de resistividad del suelo es el ohm-centímetro (Ω-cm.). En la práctica de la ingeniería de la corrosión se requiere de medir la resistividad de grandes extensiones y a menudo una cierta profundidad. Para ello se utiliza el método de Wenner, mejor conocido como el método de los cuatro electrodos.
Cuando los ánodos están en contacto con el suelo, se recubren con una capa muy resistente, esta capa ocasiona un aumento sensible de la resistencia de los ánodos con tendencia a pasivarlos, hasta el punto de hacerlos inoperables y para remediar la influencia de estos factores se coloca a su alrededor un medio químico artificial, llamado activador, mejor conocido en la terminología de la ingeniería como "backfill".
La medición del potencial de una estructura enterrada se mide con la ayuda de un electrodo de referencia de Cu/SO4 saturado y un voltímetro de alta impedancia de entrada. El valor de del potencial medido depende de la posición en que se sitúa el electrodo de referencia con respecto a la estructura. En la práctica de este tipo de determinaciones sólo es posible en estructuras no revestidas, en cuanto que la corriente en éstas es lo suficientemente elevada como para dar lugar a caídas óhmicas importantes en el terreno y debido a esto, medir diferencias de potencial apreciables cuando se traslada el electrodo de referencia de un punto a otro.
ALGUNAS APLICACIONES PRÁCTICAS.
La selección del tipo de protección catódica para usar una determinada estructura depende de consideraciones técnicas y económicas, además de analizar las ventajas y desventajas de los sistemas de protección catódica.
En los ánodos galvánicos es el indicado para los electrolitos de baja resistividad, del orden 1 500 Ω-cm. para ánodos de Zn y 6000 Ω-cm. para ánodos de Mg.
La corriente impresa es recomendable en estructuras que puedan presentar problemas de corrientes parásitas o vagabundas, ya que permite su control.
La protección de estructuras enterradas es el normal cálculo para un sistema de corriente impresa, pero en el caso de los ánodos de sacrificio se procede al revés, debido a la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo.
En la protección de los tanques de almacenamiento resulta un problema porque la difusión de corriente aumenta considerablemente la dificultad de protección.
En cuanto a lo relativo a la protección de tuberías enterradas de gran longitud, oleoductos y gasoductos, se debe primero reconocer el trazado del terreno tomando las medidas de las resistividades y revisando el suministro de energía eléctrica
La resistencia de un lecho de ánodos depende de la resistencia del terreno, de las dimensiones y forma de los ánodos y del lecho.
La protección catódica del acero en estructuras sumergidas resulta una de las más sencillas, pero hay que tener en cuanta que mientras que la protección catódica de una estructura de acero enterrada y desnuda es demasiado cara.
Para proteger una estructura por corriente impresa, la corriente continua o directa se generará mediante un transforrectificador a cuyo polo negativo se reconecta la estructura y al polo positivo un conjunto de ánodos permanentes, conectados en paralelo. La cantidad de corriente necesaria para la protección puede suministrarse desde uno o varios transforrectificadores instalado en el centro de la carga, en secciones equisuperficiales del pantalán. El cable anódico es el que determina el número de transforrectificadores necesarios para instalar.
Autor:
FUNDAMENTOS DE LA ELECTRICIDAD.
Los conocimientos de la protección catódica son determinantes para indicarnos la eficiencia de un proceso, como el voltaje de celda, las caídas óhmicas en diversas partes del circuito, la distribución de la corriente, etcétera. En cualquier circuito eléctrico existen varios fenómenos medidos en: La corriente medida en amperes (A). La fuerza electromotriz y la diferencia de potencial medidas en voltios (V). La resistencia medida en ohms (Ω).
La conductividad eléctrica es el movimiento de la carga eléctrica. Los materiales que permiten el flujo de una carga, se llaman entonces conductores. Existen los Conductores de Primer Orden, poseen conductancia eléctrica, sus portadores de carga son los electrones, tienen una conducción sin una transferencia substancial de masa. Conductores de Segundo Orden, poseen conductancia iónica o electrolítica, los portadores de carga son los iones; tienen una conducción con transferencia de masa. Su conductividad aumenta con la temperatura. Conductores Mixtos o de Tercer Orden, Llamados semiconductores, poseen conductancia eléctrica e iónica, tienen conductividad demasiado baja pero aumenta con la temperatura. Otras clases de materiales son los aislantes, en donde la conductancia a través de ellos es muy difícil.
Para medir la carga se usa al Coloumb que equivale a 6.24 trillones de electrones. A la velocidad de flujo de la carga eléctrica se le conoce como corriente eléctrica (intensidad I). Un electrolito es aquella sustancia que conduce corriente por flujo iónico.
La diferencia de potencial entre dos puntos se define como el trabajo efectuado (medido en Joules), cuando un Coloumb se mueve de un punto a otro. Volt=joule/coloumb
La fuerza electromotriz (fem) se mide en Volts y es el trabajo total efectuado en joules por los coloumbs de electricidad transportados en un circuito en que la celda esta conectada.
El profesor de física Simón Ohm estableció: "La corriente que pasa por un alambre a temperatura constante es proporcional a la diferencia de potencial en sus extremos: (diferencia de potencial)= (constante) X (corriente).
De otra forma, la resistencia de un conductor es la porción de la diferencia de potencial a través de él y la corriente que fluye.
Voltios/amperes= ohm.
Resistores en serie. Se dice que un número de resistores en serie están conectados en serie si su conexión es consecutiva extremo con extremo, de tal suerte que la misma corriente (I), fluya a través de cada una. Se dice que los resistores están en paralelo cuando son colocados uno al lado del otro y sus extremos permanecen unidos y compartirán la misma corriente en el circuito.
La fuerza de la corriente que se obtiene de una celda no solo depende de su fuerza electromotriz, sino también de la resistencia interna propia. Con el fin de obtener una corriente grande, la resistencia interna debe ser baja. Se denomina batería a un grupo de celdas conectadas entre si, normalmente conectadas en serie.
Perdida o caída de voltaje: Cuando una celda produce corriente en un circuito.
La diferencia de potencial requerida para impulsar la corriente a través de la misma celda está dada por la corriente multiplicada por la resistencia interna y como resultado tenemos el "voltaje perdido" o sea la "caída de potencial" de la celda.
Cuando se fabrica un resistor, se emplea un alambre grueso y corto si se requieren obtener bajas resistencias, y al revés si se quieren resistencias altas, además se debe tener en cuenta otros factores que determinan la resistencia que es el material del que esta hecho el alambre. La resistencia de un alambre por lo tanto es directamente proporcional a su longitud, situación que se describe así:
Rα1
La resistencia de un alambre es inversamente proporcional al área de su sección transversal. La resistividad de un material esta expresada en una unidad ohm-centímetro. La resistividad al flujo de la corriente es máxima cuando: el medio presenta baja resistividad, existe una distancia pequeña para el flujo de la corriente y tenemos un área transversal grande para el flujo de la corriente. Las resistividades del suelo son mayores de 10 000 Ω-cm. Las resistencias al flujo de corriente en sistemas de protección catódica en los suelos pueden tener a veces valores menores a 1Ω.
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