Figura 2. Sentido de la corriente de un sistema de protección catódica con corriente impresa de una tubería.
Normalmente las tuberías, además de la protección catódica, llevan un sistema de protección a base de sustancias bituminosas de 3 a 6 mm de espesor, lo que les proporciona un buen aislamiento.
En este sistema se mantiene el mismo principio fundamental de la PROTECCIÓN CATÓDICA, pero tomando en cuenta las limitaciones del material, costo y diferencia de potencial con los ánodos de sacrificio, se ha ideado este sistema mediante el cual el flujo de corriente requerido, se origina en una fuente de corriente generadora continua regulable o, simplemente se hace uso de los rectificadores, que alimentados por corriente alterna ofrecen una corriente eléctrica continua apta para la protección de la estructura.
La corriente externa disponible es impresa en el circuito constituido por la estructura a proteger y la cama anódica.
La dispersión de la corriente eléctrica en el electrólito se efectúa mediante la ayuda de ánodos inertes cuyas características y aplicación dependen del electrólito.
El terminal positivo de la fuente debe siempre estar conectado a la cama de ánodo, a fin de forzar la descarga de corriente de protección para la estructura.
Este tipo de sistema trae consigo el beneficio de que los materiales a usar en la cama de ánodos se consumen a velocidades menores, pudiendo descargar mayores cantidades de corriente y mantener una vida más amplia.
En virtud de que todo elemento metálico conectado o en contacto con el terminal positivo de la fuente e inmerso en el electrólito es un punto de drenaje de corriente forzada y por lo tanto de corrosión, es necesario el mayor cuidado en las instalaciones y la exigencia de la mejor calidad en los aislamientos de cables de interconexión
Medición de la resistividad de suelos
El suelo por su contenido variable de humedad, sales y materia orgánica en descomposición es el electrolito más complejo de todos que se pueden encontrar.
Por necesidades mecánicas, económicas y de seguridad, la industria tiene que apoyar sobre él y enterrar numerosas y muy variadas estructuras de acero, las cuales se ven sometidas a un proceso de corrosión que en algunos casos son muy complicadas.
Para un buen control de la corrosión de estas estructuras se han de combinar los dos tipos de protección a nuestro alcance: un buen recubrimiento pasivo, complementado por un sistema de protección catódica adecuado.
El suelo generalmente es un medio heterogéneo en donde se dan muchas variaciones en la velocidad de corrosión de los metales. Un suelo contiene los siguientes elementos: arena, arcilla, cal y humus. Estos componentes pueden estar mezclados en el suelo en diferentes proporciones que darán lugar a distintos grados de agresividad.
Por lo general, los suelos arenosos, margo-arenosos, margo-calcáreos y calcáreos no son agresivos; los suelos arcillosos en algunas condiciones son agresivos. Los que son agresivos de por sí son las turbas, los humus libres de cal y también los suelos cenagosos y de aluvión. Los suelos artificiales, esto es los formados por escorias y basuras, elementos en putrefacción y residuos humanos e industriales también son agresivos.
Los factores que influyen en este tipo de corrosión son:
* La porosidad del terreno.
* La humedad del terreno.
* La resistividad del suelo.
* El efecto del pH.
* Salinidad.
* Potencial Redox del suelo.
* Materia Orgánica.
* La corrosión bacteriana.
Método de Wenner.
Con objeto de medir la resistividad del suelo se hace necesario insertar los 4 electrodos en el suelo. Los cuatro electrodos se colocan en línea recta y a una misma profundidad de penetración, las mediciones de resistividad dependerán de la distancia entre electrodos y de la resistividad del terreno, y por el contrario no dependen en forma apreciable del tamaño y del material de los electrodos, aunque sí dependen de la clase de contacto que se haga con la tierra.
El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa o de baja frecuencia a través de la tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el potencial que aparece se mide entre dos electrodos P1 y P2. Estos electrodos están enterrados en línea recta y a igual separación entre ellos. La razón V/I es conocida como la resistencia aparente. La resistividad aparente del terreno es una función de esta resistencia y de la geometría del electrodo.
En la figura se observa esquemáticamente la disposición de los electrodos, en donde la corriente se inyecta a través de los electrodos exteriores y el potencial se mide a través de los electrodos interiores. La resistividad aparente está dada por la siguiente expresión:
Si la distancia enterrada (B) es pequeña comparada con la distancia de separación entre electrodos (A). O sea A > 20B, la siguiente fórmula simplificada se puede aplicar:
La resistividad obtenida como resultado de las ecuaciones representa la resistividad promedio de un hemisferio de terreno de un radio igual a la separación de los electrodos.
Como ejemplo, si la distancia entre electrodos A es de 3 metros, B es 0.15 m y la lectura del instrumento es de 0.43 ohms, la resistividad promedio del terreno a una profundidad de 3 metros, es de 8.141 ohm-m según la fórmula completa y de 8.105 ohms-m según la fórmula simplificada.
Se recomienda que se tomen lecturas en diferentes lugares y a 90 grados unas de otras para que no sean afectadas por estructuras metálicas subterráneas. Y, que con ellas se obtenga el promedio.
Actividad corrosiva esperada para aceros expuestos a una variedad de resistividad de suelos
Desarrollo de experimentos
3.1.- PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
DESCRIPCIÓN VISUAL
En una cubeta de vidrio que contiene agua potable se colocan tres varillas de acero al carbono en forma paralela. A una varilla de un extremo se le coloca una pequeña placa de magnesio, a la varilla del centro no se le coloca nada y a la última varilla se le coloca una pequeña placa de zinc, de manera tal que las placas de Zn y Mg estén distribuidos de la manera mas alejada posible uno del otro.
Para el sistema de agua potable se observa que el agua adquiere una coloración amarillenta Y cada uno de las placas presenta cierta corrosión (deposición de óxidos en la superficie color naranja-rojizo) según sea el caso. En menor proporción la del contacto con el magnesio, luego el de contacto con zinc mucha mas la placa del medio (sin contacto alguno).
DESCRIPCION TEÓRICA
La protección catódica por ánodo de sacrificio se da por el contacto de un metal mucho más activo que el acero, haciendo que el acero actué como cátodo ya que el metal más activo actuará como ánodo, llevándose acabo las siguientes reacciones:
a) agua potable:
Se da la oxidación del magnesio y del hierro con desprendimiento de hidrogeno.
Se da la oxidación del hierro:
Se da la oxidación del Zn y del hierro con desprendimiento de hidrogeno.
Esto se debe principalmente a las líneas de campo eléctrico provenientes de las barras protegidas con ánodos de sacrificio (Mg). Debemos recordar que en si hubieron tres barras: 2 protegidas pero en sentido opuesto con respecto a la posición del Mg y una sin proteger en el medio de estas.
El concepto básico de la protección catódica radica en la reducción por vía electroquímica del O2, que difunde del electrolito hacia la superficie del metal a proteger, evitándose así la corrosión del metal al neutralizar los agentes oxidantes presentes en el medio.
A medida que se polariza el cátodo, se forma sobre éste depósitos con la consiguiente reducción de la corriente circulante.
Recomendaciones
No pintar los ánodos.
Una vez instalados los ánodos deberá verificarse, mediante la toma de potenciales con un electrodo de referencia, su comportamiento periódicamente durante su tiempo de vida.
Los investigadores de la universidad en este campo de la ingeniería química deben trabajar en coordinación con las empresas que requieren este tipo de servicio para garantizar la selección y eficiencia del sistema.
Conclusiones
La protección catódica por ánodos de sacrificio es uno de los métodos más usados para minimizar los efectos de la corrosión.
Para la selección del material del ánodo se tiene en cuenta la serie electroquímica de los metales, los cuales tendrán carácter anódico con relación a otro, si se encuentra por encima de ellos en esta serie.
La composición química tiene una gran importancia en el comportamiento general, actuando muy directamente en las propiedades que determinan su utilización como ánodo: potencial de disolución, polarización y homogeneidad de la corrosión anódica.
Seleccionar el material más adecuado para la aplicación.
Calcular el peso total de material requerido y el tamaño idóneo del ánodo para obtener la vida prevista.
Planificar la posición del ánodo para asegurar la protección adecuada en todas las áreas.
Como el H2O destilada no es un medio muy conductivo, los ánodos de sacrificio no pueden ejercer su acción.
3.2.- PROTECCIÓN CATODICA EN TUBOS ENTERRADOS
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
DESCRIPCION VISUAL:
Electrodo Referencia: plata/cloruro deplata (E=0.25 V)
Medio: AGUA POTABLE
Datos Experimentales:
DESCRIPCIÓN TEÓRICA
Se puede considerar como una celda electrolítica de igual manera ocurren reacciones de oxidación y reducción:
Oxidación:
Reducción: 
También se observo o algunas pequeñas burbujas que salían cerca de los alrededores del electrodo de Pt (liberación de O2(g) ).
EXPLICACIÓN TEÓRICA:
La razón por lo que el electrodo de acero al carbono (Fe) se convierte en cátodo es debido a que es sometido a una corriente eléctrica, es decir que todo el electrodo este abastezca de e- de tal manera que se convierte en un electrodo negativo (cátodo).
Reducir el potencial a uno que este por debajo del potencial reversible del metal (Fe ( Fe2+ + 2e- ) llevándolo a la zona de inmunidad en el diagrama de Pourbaix.
En conclusión este procedimiento consiste en unir eléctricamente la estructura que se trata de proteger con el polo negativo de una fuente de alimentación de corriente continua (pura o rectificada) y el positivo con un electrodo auxiliar que cierra el circuito. Los electrodos auxiliares también pueden ser de chatarra de hierro, aleación de ferrosilicio, grafito, platino, etc. Es completamente indispensable la existencia del electrolito (medio agresivo) que completa el conjunto para que se realice el proceso electrolítico.
Los ánodos que se utilizan en la corriente impresa pueden dividirse, en cuanto a su consumo, en: a) ánodos solubles, b) semiinertes y c) inertes. Actualmente se prefieren los inertes ya que, pese a que su costo es más alto, tienen las mejores características. En el siguiente cuadro se resumen las propiedades principales de los ánodos utilizados en la corriente impresa, clasificados según su consumo. En el mismo cuadro se incluye el medio en el cual pueden utilizarse
Ventajas
Puede diseñarse para un amplio intervalo de potencial y corriente.
Un ánodo o lecho anódico puede suministrar una gran corriente.
Con una sola instalación se pueden proteger superficies muy grandes.
Potencial y corriente variables.
Se puede utilizar en ambientes de resistividad elevada.
Eficaz para proteger estructuras no recubiertas o mal recubiertas.
Limitaciones
Puede causar problemas de interferencia.
Está sujeta a rotura de la fuente de corriente.
Requiere de una inspección periódica y de mantenimiento.
Requiere de una fuente de corriente continua.
Posibilidad de condiciones de sobreprotección con daños a recubrimientos y problemas de fragilización por la acción del hidrógeno.
Conexiones y cables sujetos a roturas.
Tiene un costo elevado.
Ventajas y Desventajas:
Se puede decir que este método es más conveniente que el de los ánodos de sacrificio, cuando se tratan de proteger estructuras muy grandes o con una gran demanda de corriente y cuando la resistividad del ambiente es elevada, como en el caso de los suelos
Una gran ventaja de este método es su posibilidad de proteger una gran superficie con un solo ánodo. Este tipo de sistemas debe ser proyectado con cuidado para no causar problemas de corrientes erráticas (parásitas), las cuales pueden provocar la corrosión de estructuras vecinas.
3.4. Medición de la resistividad de suelos
3.4.1. Descripción Visual
Al momento de enterrar los electrodos usando el Método de Wenner se realizó la medición de la resistividad del suelo en los alrededores del laboratorio de corrosión.
Este método tiene la ventaja de ser sencillo y expeditivo, por no existir procesamiento, pero adolece de limitaciones físicas para el clavado del Electrodo Piloto y limitaciones prácticas en suelos estratificados, dado que para longitudes diferentes, se obtienen Resistividades diferentes; asimismo en estratos gruesos de Alta Resistividad, dan valores con grandes errores; su mejor aplicación se obtiene en suelos arcillosos de baja Resistividad (suelos cultivables).
Se tendrá especial cuidado en lograr la mínima Resistencia de contacto para los Electrodos de medida, especialmente al del circuito de Corriente (C).
Se trata de la medida de la «Resistividad Aparente» del suelo natural, basado en la aplicación del principio de Caída Potencial, bajo condiciones geométricas simplificadas que fijan la equidistancia entre los ( 4 ) Electrodos de Medida necesarios, ( 2 ) de Corriente ( C1 y C2 ) y ( 2 ) de Potencial ( P1 y P2 ), que deben ser colocados en línea recta a distancias ( a ); desde los cuales se mide la Resistencia media de Conducción ( R ) del segmento de suelo ( P1, P2 ) de longitud ( a ), que se opone a la circulación de la corriente inyectada ( I ) entre los extremos ( C1, C2 ), de longitud ( 3a ).
Datos experimentales:
3.4.2. Descripción Teórica
Se debe destacar la influencia del suelo en el funcionamiento de todos los sistemas eléctricos, identificándolo con la Tierra, cuya ilimitada capacidad de recepción, conducción y dispersión de corrientes eléctricas, permiten atribuirle la necesaria referencia de Potencial cero, por donde se pueden cerrar los circuitos de evacuación o de concentraciones de carga o aparición de corrientes, asegurando la seguridad de las personas, los animales y equipos.El modelo básico para su aplicación, considera al suelo inicialmente como un medio homogéneo, que reproduce los fenómenos del Campo Eléctrico conservativo, a partir de cuyo desarrollo bajo condiciones establecidas, se define el principio de caída de Potencial para la ejecución de las medidas directas de campo, de Resistividades, Resistencias de Dispersión y Potenciales de Toque y de Paso.
La medida de las resistividades se considera imprescindible para los estudios de Diseño, Diagnóstico y Corrección tanto de Protecciones Catódicas así como de Puestas a Tierra, dado que la identificación de dicho parámetro sólo a partir de las características físicas del suelo no es confiable. Para tales fines existen varios métodos de medida.
3.4.3. Explicación Teórica
El factor más importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en sí, sino la resistividad del suelo mismo, por ello es requisito conocerla para calcular y diseñar la puesta a tierra de sistemas.
La resistividad del suelo es la propiedad que tiene éste, para conducir electricidad, es conocida además como la resistencia específica del terreno. En su medición, se promedian los efectos de las diferentes capas que componen el terreno bajo estudio, ya que éstos no suelen ser uniformes en cuanto a su composición, obteniéndose lo que se denomina "Resistividad Aparente" que para el interés de este trabajo, será conocida simplemente como "Resistividad del Terreno".
Se define el término resistividad, como la resistencia que ofrece al paso de la corriente un cubo de terreno de un metro por lado. su representación dimensional debe estar expresada en Ohm-m, cuya acepción es utilizada internacionalmente.
La resistividad del terreno varía ampliamente a lo largo y ancho del globo terrestre, estando determinada por:
SALES SOLUBLES La resistividad del suelo es determinada principalmente por su cantidad de electrolitos; esto es, por la cantidad de humedad, minerales y sales disueltas. Como ejemplo, para valores de 1% (por peso) de sal (NaCl) o mayores, la resistividad es prácticamente la misma, pero, para valores menores de esa cantidad, la resistividad es muy alta.
COMPOSICIÓN DEL TERRENO La composición del terreno depende de la naturaleza del mismo. Por ejemplo, el suelo de arcilla normal tiene una resistividad de 40-500 ohm-m. En cambio, la resistividad de un terreno rocoso es de 5000 ohm-m o más alta.
ESTRATIGRAFÍA El terreno obviamente no es uniforme en sus capas. En los 3 m de longitud de una varilla electrodo típica, al menos se encuentran dos capas diferentes de suelos.
GRANULOMETRÍA Influye bastante sobre la porosidad y el poder retenedor de humedad y sobre la calidad del contacto con los electrodos aumentando la resistividad con el mayor tamaño de los granos de la tierra.
ESTADO HIGROMÉTRICO El contenido de agua y la humedad influyen en forma apreciable. Su valor varía con el clima, época del año, profundidad y el nivel freático. Como ejemplo, la resistividad del suelo se eleva considerablemente cuando el contenido de humedad se reduce a menos del 15% del peso de éste.
TEMPERATURA A medida que desciende la temperatura aumenta la resistividad del terreno y ese aumento se nota aún más al llegar a 0° C, hasta el punto que, a medida que es mayor la cantidad de agua en estado de congelación, se va reduciendo el movimiento de los electrolitos los cuales influyen en la resistividad de la tierra.
COMPACTACIÓN La resistividad del terreno disminuye al aumentar la compactación del mismo. Por ello, se procurará siempre colocar los electrodos en los terrenos más compactos posibles.
Medición de la resistividad del suelo
Para medir la resistividad del suelo se requiere de un terrómetro (llamado en otros países: telurómetro) o Megger de tierras de cuatro terminales.
Los terrómetros deben inyectar una corriente de frecuencia que no sea de 60 Hz para evitar se midan voltajes y corrientes que no se deban al aparato sino a ruidos eléctricos. Por ejemplo, si estamos cerca de una subestación o de una línea en servicio, y vamos a realizar mediciones de resistividad y resistencia de tierra, con un aparato de 60 Hz, dichos sistemas van a inducir corrientes por el suelo debido a los campos electromagnéticos de 60 Hz y darán una lectura errónea.
De igual manera sucede cuando los electrodos de prueba están mal conectados o tienen falsos contactos, darán señales falsas de corriente y voltaje. Si hay corrientes distintas a las que envió el aparato, éste leerá otras señales de voltaje y corriente que no son las adecuadas.
Como la medición obtenida por un terrómetro es puntual, se deben hacer mediciones en un sentido, en otro a 90 grados del primero, y, en el sentido de las diagonales.
Perfil de resistividad
Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, se utiliza el Método de Wenner con espaciamientos entre electrodos de prueba cada vez mayores. Por lo general, para cada espaciamiento se toman dos lecturas de resistividad en direcciones perpendiculares entre sí.
La gráfica resultante de trazar el promedio de las mediciones de resistividad (R) contra distancia entre electrodos (a) se denomina perfil de resistividad aparente del terreno.
Método de wenner – parte experimental
Con los datos obtenidos procedemos a elaborar los gráficos de los perfiles de resistividad para el suelo. Así:
Suelo Húmedo (Cancha de Fútbol):
De la ecuación
Conclusiones
De los datos obtenidos se comprueba que la resistividad de los suelos aumenta con la distancia de separación, con el tipo de terreno que se desea medir y los objetos que puedan estar presentes como se explico en la parte teórica.
La presencia de rocas y la mayor humedad en algunos puntos hace que las medidas tomadas de potencial varíen para una misma distancia.
3.4.- PROTECCIÓN CON PINTURAS
OBSERVACIONES EXPERIMENTALES:
Básicamente se hablara sobre pinturas para embarcaciones (las cuales también se usan en la industria) para la cual se establecen tres zonas: La obra viva (en contacto con el mar ), la obra muerta (superficie del barco fuera del agua) y la superficie de la caseta, salas de maquinas, mástil.
Obra Viva:
La más difícil de combatir, se aplica un sistema de pinturas como se muestra.
Pintura Base.- Llamada también imprimante, es una resina epóxica rica en zinc, suspropiedades anticorrosivas son buenas debido a las altas concentraciones de zinc metálico que llega hasta el 90%. Esta pintura posee buena adherencia y un color gris metálico. Sus mecanismos son tres:
Efecto barrera.- Bastante impermeable con respecto al agua y oxigeno, no posee un solvente.
Protección Catódica: El polvo de zinc actúa como ánodo se da el caso de oxidación.
Resistencia Iónica: No permite que los iones fluyan.
Aplicaciones: Se usa para proteger tanques de almacenamiento, estructuras metálicas, embarcaciones, etc.
Capa Media.- Esta constituida por una resina epòxica (dura y quebradiza) y alquitrán (le da el carácter blando).Es de color negro.
El mecanismo con el que actúa es de efecto barrera, es de buena impermeabilidad respecto al agua, además es de gran espesor. Ayuda a resistir los golpes.
Capa de Acabado.- Esto es una pintura vinílica y elevada concentración de oxido de cobre. Tiene una coloración oxido. Tiene un efecto venenoso para los moluscos, además es ligeramente soluble en agua. Ofrece excelente protección contra la flora y la fauna marina.
Obra Muerta:
Capa Base.- Es un imprimante constituido por resina epóxica y azarcón (que es un inhibidor ). Fabricada con resina epóxida, oxido de plomo rojo y oxido de hierro los que le dan la propiedad de ser un anticorrosivo excelente.
Capa Intermedia.- Pigmento blanco con oxido de titanio, le da espesor a la protección, y cumple el mecanismo de efecto barrera.
Capa Acabada.- Es la combinación de resina epóxica con pigmentos de color (a escoger).
Casetas:
Capa Base.- Es fabricada con pigmentos de azarcón (inhibidores) y resina alquídica que es más permeable. Posee una alta protección anticorrosiva. Se usa en todo tipo de superficie metálicas como bodegas, tanques de almacenamiento, embarcaciones, estructuras de acero y hierro, puentes, motores, etc.
Acabado.- Esmalte que se fabrica en base a resina alquidica modificada (caucho) y con pigmentos muy resistentes a la luz y a los ambientes corrosivos (esmaltes + cauchos).Resistente al golpe, por su gran flexibilidad, impermeabilidad y adherencia.
Apéndice
Inventan una pintura anti-corrosión
Ingenieros de la Ohio State University han añadido ciertas sustancias a una pintura que evita que el metal sufra el problema de la corrosión, y que además revela cuándo un avión, barco o puente necesita volver a ser pintado.
Aunque la pintura está aún en desarrollo, las primeras pruebas demuestran que previene la corrosión tan bien como lo hacen otras pinturas comerciales mucho menos amistosas con el ambiente.
La nueva pintura es única porque su pigmento contiene diminutas partículas de arcilla que capturan las sustancias que causan la corrosión.
También libera la cantidad exacta de agente contra la corrosión cuando se le necesita, explica Rudolph Buchheit, profesión de ciencia de los materiales e ingeniería.
Con un poco más de desarrollo, el pigmento permitirá a los expertos en mantenimiento inspeccionar superficies utilizando una técnica común de rayos-X para determinar cuándo necesitan volver a ser pintadas. El pigmento contiene cerio, un mineral natural anti-corrosión. Los recubrimientos que encontramos en los hornos auto-limpiables contienen a menudo cerio, pero estos recubrimientos son pasivos (liberan cerio continuamente hasta que el elemento se agota). Los científicos llevan trabajando durante años para crear "pigmentos inteligentes" que puedan hacer más, es decir, liberar cerio sólo cuando las condiciones son adecuadas para que aparezca la corrosión.
El cloruro es la sustancia responsable de la mayor parte de la corrosión en los metales. El agua es otro ingrediente clave, y el agua que contiene sal, cloruro sódico, es particularmente corrosiva. Cuando la pintura se resquebraja o se desgasta, una reacción química con el cloruro se come el metal expuesto, un problema serio en estructuras críticas en vehículos o puentes.
Para luchar contra la corrosión, el nuevo pigmento absorbe el cloruro, y libera cerio u otros inhibidores de la corrosión para formar una película protectora sobre las grietas de la pintura.
En las pruebas, los ingenieros recubrieron piezas de metal con la nueva fórmula de pintura, y rascaron la superficie para simular un desgaste severo. Después expusieron el metal a una niebla constante de agua salina en una cámara de corrosión en el laboratorio. Después de 1.000 horas, el metal se mantenía libre de ella, un rendimiento comparable al de las pinturas comerciales. Pero las pinturas comerciales usan cromatos, una sustancia tóxica que debe ser eliminada con mucho cuidado, evitando sobre todo que entre en el suministro de agua potable. Buchheit cree que si el cerio entrara en dicho suministro no implicaría un peligro tan grande para la salud.
La técnica llamada difracción de rayos-X puede ser empleada para medir cuánto cerio ha sido liberado para llenar las grietas, y cuánto queda en la pintura, un indicador de si una pieza de metal debe ser repintada o no.
Bibliografía
Aliaga Laura, Pedro
Curso de especialización en corrosión y recubrimientos orgánicos de protección.
Sociedad Nacional de Corrosión del Perú (3 al 7 de Abril de 2000)
Manual de Pinturas Jet
Compañía indistrial Polux S.A.
González Fernández, J.
Control de la corrosión, CENIM 1989
231-235
Autor:
German Williams Ocaña Vasquez
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