Estudio desgaste prematuro en tuberías sistema de emulsión

Resumen

En el presente trabajo se estudio la degradación prematura en las tuberías del sistema de emulsión del Tándem II de Sidor, aplicando un diseño metodológico de campo tipo explicativo. Como resultado del Análisis Químico y Metalográfico se obtuvo que las muestras ensayadas no corresponden al material de diseño de las tuberías, mientras que a través de Microscopia Electrónica de Barrido se determino que las picaduras presentes en las mismas son generadas por efecto de la cavitación que se atribuye al deficiente diseño del sector de succión de las bombas principales del sistema de Emulsión. El Alto desgaste de las tuberías evidenciado por la pérdida de espesor acelerada, en combinación con el uso de aceros menos resistentes, generan un acelerado deterioro de las paredes.

Palabras claves: Desgaste, tuberías, normas, finos, cavitación.

CAPÍTULO I

El problema

• Planteamiento del problema

Sidor se encarga de todo el proceso siderúrgico para la obtención de Acero desde la fabricación de Hierro reducido (HRD), la transformación a acero en forma de productos semielaborados como planchones y palanquillas poligonales hasta la elaboración de productos terminados, como por ejemplo planos en caliente (Bobinas, chapas gruesas y finas) y planos en Frío (Hoja Negra, Bobinas Estañadas y Cromadas).

El proceso de Laminación en Frío es uno de los más importantes y críticos en la línea de productos planos, ya que es aquí donde las Bobinas provenientes de Laminación en Caliente van a sufrir las últimas disminuciones de espesor y necesitan la mejor calidad superficial posible, esto en condiciones de temperaturas por debajo de la de Recristalización del acero lo que conlleva a generación de calor asociado a la fricción entre banda y cilindro, y deformaciones plásticas sufrida por las mismas.

Para garantizar porcentajes de reducción aceptables en el proceso de Laminación en Frío se utiliza la Emulsión, ya que sin ningún tipo de lubricante en los bastidores no se lograrían obtener las reducciones actuales como ocurría en los primeros intentos o inicios de este proceso. Además, estas no sólo cumplen la función de lubricar, sino que refrigeran los cilindros y bandas, distribuye equitativamente la temperatura, limpia constantemente el sistema cilindro-banda, etc.

La Emulsión usada para el proceso de Laminación en Frío posee características especificas de pH, saponicidad y contaminantes, además de finos de hierro generadas por la deformación y fricción entre cilindros y bandas, ya que este es un sistema cerrado de recirculación. Dicha Emulsión circula constantemente a través de un sistema de tuberías durante toda una campaña de laminación.

Las tuberías del sistema de Emulsión del Tándem II se encuentran sometidos a la acción de:

• Turbulencia de los Fluidos de Emulsión debido a las diferentes geometrías presentes en el sistema de tuberías.

• Abrasión por causa de finos de Hierro presentes en el fluido.

• Corrosión de diferentes tipos generadas por el constante contacto entre el fluido y las paredes metálicas de las tuberías.

Estas condiciones a las cuales se encuentra sometido el sistema de tuberías causan un deterioro progresivo de las mismas provocando fugas, la capa de grasa que se forma en la mayor parte de las paredes exteriores de todo el sistema evita mantener un contacto visual directo con la superficie dificultando el reconocimiento de algún tipo de Fugas. Estas fugas son repetitivas y repentinas lo que hace necesario un estudio que permita determinar las zonas críticas donde exista la mayor probabilidad de que ocurra, además de verificar las causas que lo originan.

• Objetivo General

• Evaluar el estado de desgaste de las tuberías del sistema de emulsión del Tándem II y establecer sus causas.

• Objetivos Específicos

• Realizar un mapa de zonas de desgaste del sistema de tuberías que permita establecer zonas críticas de corrosión.

• Establecer posibles causas de fallas mediante un diagrama Causa-Efecto.

• Determinar velocidad de corrosión mediante el indicador de pérdida de espesor.

• Caracterizar el tipo de fluido que circula en este sistema de tuberías mediante análisis Físico-Químico.

• Evaluar Química y Metalograficamente el material del sistema de tuberías mediante Microscopia Óptica y Microscopia Electrónica de Barrido (EDX).

• Justificación

SIDOR es una empresa que ofrece productos de alta calidad al menor costo posible, es entonces necesario cumplir con este importante requerimiento en cada una de las áreas que lo conforman.

Para el área de Laminación en Frío poder cumplir con estas condiciones se hace necesario controlar la mayor cantidad de variable de proceso posible, una de las más importantes de ellas es la Emulsión. Las fugas hacen difícil mantener un control constante de esta, generan perdida de emulsión y por ende variación de las concentraciones optimas para el proceso, lo que produce una disminución en la calidad de la emulsión que impacta directamente en la calidad de la banda, las cuales se deben ir recuperando añadiendo aceite extra produciendo así un aumento del costo de proceso por consumo de aceite, igualmente las fugas son reiterativas lo que adiciona costos asociados por mantenimiento correctivo y en casos más severos producen paradas no programadas que se traducen en disminución de productividad y por ende grandes pérdidas económicas.

• Delimitación.

Esta investigación se desarrollará en el área de Laminación en Frío de SIDOR específicamente en el sector de Tándem II, donde se estudiaran y evaluaran seis zonas de las tuberías del sistema de emulsión durante el periodo del 16/08/2010 hasta el 31/01/2010.

CAPÍTULO II

Marco teórico

2.1. Antecedentes de la Investigación.

Para realizar el estudio del desgaste prematuro en las tuberías del sistema de emulsión del Tándem II de la empresa SIDOR, fue necesaria una indagación bibliográfica de investigaciones anteriores que guarden relación en el campo de estudio. Para que estas sirvan de base fundamental para el desarrollo de la actual investigación. "Aparte de documentar al investigador sobre el tema tratado ubica al lector sobre la importancia del mismo y actualiza la investigación existente". (Pérez 2003).

Edgar Rondón (2006). Informe de inspección y medición de espesores de la línea de gas exhausto de MATESI. En su informe Rondón establece como parte de las conclusiones:

"La Norma más eficaz utilizada para el cálculo del espesor mínimo es la ANSI B31.3- 1984 dicha Norma se aplica a los sistemas de tuberías que manejan todos los fluidos, incluyendo sólidos fluidizados, y a todos los tipos de servicios, incluyendo materias primas, productos intermedios y productos químicos terminados, petróleo crudo y otros productos del petróleo, aire, vapor, gas (caso que estamos estudiando), agua y refrigerantes. Los recipientes o tuberías que están sujetos a corrosión, erosión o abrasión mecánica deben tener un margen de espesor para lograr la vida deseada, aumentando convenientemente el espesor del material respecto al determinado por las fórmulas de Diseño"

Esta evaluación realizada por Rondón establece que tipos de las tuberías es aplicable la norma ASME 31.3, estableciendo en el mismo las formulas y cálculos necesarios para el análisis del estado de desgaste de las tuberías. Además hace referencia al margen de espesor requerido en los cálculos correspondientes.

Rixiomar Antoni (2009). Reemplazo de tuberías del sistema hidráulico y de emulsión en el Tándem II. En este informe se encuentra establecido como parte de las conclusiones:

"En los resultados de la evaluación económica, se recomienda ejecutar la inversión en virtud del grado de obsolescencia de las tuberías de los sistemas hidráulicos y de emulsión, que en gran manera disminuirían los elevados costos en consumos por reposición de aceites y el impacto que estos están generando al medio ambiente".

Esta evaluación presenta la importancia económica y el impacto ambiental que significa la sustitución de tramos obsoletos en el sistema hidráulico y de emulsión para la empresa.

Estos estudios tienen gran relación con el problema de desgaste en las tuberías del Sistemas de emulsión del Tándem II de SIDOR, porque en el caso de Rondón estas tuberías están fabricadas de acero al carbono y al igual que las tuberías en estudio, en el cual también se uso la norma ASME 31.3 para la evaluación de la situación actual de las tuberías y la velocidad de desgaste de las mismas. Mientras que Rixiomar se refiere directamente a las tuberías en situación de estudio actualmente, enfocado al aspecto económico que nos permite apreciar la importancia del estudio en curso.

2.2. Bases Teóricas

2.2.1. Tuberías y Cañerías

Llamamos cañería a un conjunto de caños, conductos cerrados destinados al transporte de fluidos, y sus accesorios. La gran mayoría de las cañerías actúa como conductos a presión es decir, sin superficie libre, con el fluido mojando toda su área transversal, a excepción de los desagües o alcantarillado donde el fluido trabaja con superficie libre, como canales.

La necesidad del uso de cañerías surge del hecho de que el punto de almacenamiento o generación de los fluidos se encuentra generalmente distante de los puntos de utilización. Se usan para el transporte de todos los fluidos conocidos líquidos o gaseosos, para materiales pastosos o pulpa y para los fluidos en suspensión, en toda la gama de presiones que se usan en la industria, desde el vacío absoluto hasta presiones de hasta 4000 kg/cm2(400MPa) y desde cero absoluto hasta las temperaturas de fusión de los metales.

El costo puede llegar al 50% o 70% de los equipos de una planta de proceso y el 15% a 20% del total de la instalación.

2.2.1.1. Clasificación de las tuberías según el material de fabricación

2.2.1.2. Cargas de diseño para tuberías

Un sistema de tuberías constituye una estructura especial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos inicialmente durante la fase de construcción y montaje. También ocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. A continuación se resumen las posibles cargas típicas que deben considerarse en el diseño de tuberías.

Cargas por la presión de diseño

Es la carga debido a la presión en la condición más severa, interna o externa a la temperatura coincidente con esa condición durante la operación normal.

Cargas por peso

a) Peso muerto incluyendo tubería, accesorios, aislamiento, etc.

b) Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso

c) Efectos locales debido a las reacciones en los soportes

Cargas dinámicas

a) Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el sistema de tuberías expuesto al viento

b) Cargas sísmicas que deberán ser consideradas para aquellos sistemas ubicados en áreas con probabilidad de movimientos sísmicos

c) Cargas por impacto u ondas de presión, tales como los efectos del golpe de ariete, caídas bruscas de presión o descarga de fluidos.

d) Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presión, por variaciones en las características del fluido, por resonancia causada por excitaciones de maquinarias o del viento.

Efectos de la expansión y/o contracción térmica.

a) Cargas térmicas y de fricción inducidas por la restricción al movimiento de expansión térmica de la tubería

b) Cargas inducidas por un gradiente térmico severo o diferencia en las características de expansión (diferentes materiales).

Efectos de los Soportes, Anclajes y Movimiento en los Terminales.

a) Expansión térmica de los equipos

b) Asentamiento de las fundaciones de los equipos y/o soportes de las tuberías

2.2.1.3. Esfuerzos admisibles

Los esfuerzos admisibles se definen en términos de las propiedades de resistencia mecánica del material, obtenidas en ensayos de tracción para diferentes niveles de temperatura y de un factor de seguridad global. La norma ASME B31.3 estipula dos criterios para el esfuerzo admisible. Uno es el llamado "esfuerzo básico admisible" en tensión a la temperatura de diseño, con la cual están familiarizados los que se dedican al diseño de equipos sometidos a presión, es menos conocido y se le denomina "rango de esfuerzo admisible", el cual se deriva del esfuerzo básico admisible y se emplea como base para el cálculo de la expansión térmica y para el análisis de flexibilidad.

Tabla 2.1. Esfuerzos Admisibles en Función de la Temperatura

2.2.1.4. Espesor de pared

El mínimo espesor de pared para cualquier tubo sometido a presión interna o externa es una función de:

a) El esfuerzo permisible para el material del tubo

b) Presión de diseño

c) Diámetro de diseño del tubo

d) Diámetro de la corrosión y/o erosión

Además, el espesor de pared de un tubo sometido a presión externa es una función de la longitud del tubo, pues ésta influye en la resistencia al colapso del tubo. El mínimo espesor de pared de cualquier tubo debe incluir la tolerancia apropiada de fabricación.

Los códigos establecen que el esfuerzo por presión debe calcularse como:

Ec. 2.1

Donde Y es un factor que depende de la temperatura de diseño y del tipo de material. En la tabla se muestra este factor para diversas temperaturas. Observe que en un amplio rango de temperaturas de diseño Y = 0.4, con lo cual la ecuación recomendada se acerca a la deducida utilizando el diámetro medio.

Factor Y para t < D/6

Tabla 2.2. Factor Y en Función de la Temperatura

2.2.1.4.1. Cálculo del espesor de pared

La tensión máxima en un caño recto se producirá en el sentido circunferencial, que es el duplo de la tensión longitudinal. Basado en éste concepto de la teoría de membrana para un caño sometido a presión interna, el cálculo de ANSI B31.3 (par 304) el espesor mínimo será:

tn = t + c Ec. 2.2

El espesor seleccionado no será menor que tm + tolerancia de fabricación.

2.2.1.4.2. Cálculo por presión interna (ANSI B 31.1)

2.2.2. Emulsión

Una emulsión es un sistema heterogéneo, constituido por dos líquidos no miscibles entre sí; en el que la fase dispersa está compuesta de pequeños glóbulos distribuidos en el vehículo en el cual son inmiscibles. El sistema es estabilizado por un agente emulsificante. Si la mezcla consiste de gotas de aceite dispersadas en agua se trata de una emulsión aceite en agua conocida como o/w (por oil/water), por el contrario considerando gotas de agua dispersadas en aceite se trata de una emulsión agua en aceite (w/o).

La emulsificación y estabilización de esta mezcla de líquidos inmiscibles depende de un gran número de factores fisicoquímicos, como son el balance hidrofílico-lipofílico (HLB) de losa gentes emulsificantes, la relación de volumen existente entre las dos fases y del tamaño y distribución de las partículas dispersas principalmente.

Cuando cantidades de agua y aceite son mezcladas y agitadas se forman glóbulos de diferentes tamaños. Debido a la inmiscibilidad de las fases existirá una tensión interfasial en la superficie de separación llamada interface. Cuando un líquido se divide en glóbulos muy pequeños, el área superficial de éstos aumenta enormemente, este aumento de área asociado con un aumento de energía libre es lo bastante grande como para hacer que el sistema sea termodinámicamente inestable y en consecuencia, los glóbulos presentan cierta tendencia a unirse entre sí para formar glóbulos más grandes y finalmente hay separación total de las dos fases.

La función de los agentes emulsificantes es reducir en forma muy marcada la tensión interfasial entre los líquidos inmiscibles, actuando como una barrera en contra de la coalescencia de los glóbulos. Los agentes tenso activos pueden clasificarse como iónicos y no iónicos, los tipos iónicos son aniónicos o catiónicos, dependiendo de cuál es la porción característicamente tenso activa.

En los procesos de laminado en frío de bandas se pretende, por una parte, para el material de laminación, disminuciones por pasada lo más altas posibles con requisitos relativamente reducidos en relación con la calidad superficial del producto y, por otra parte, para el producto final, una calidad superficial específica óptima con una reducción relativamente reducida. Para conseguir este objetivo hasta ahora estaba previsto en la técnica de laminación el emplear únicamente un medio refrigerante o lubricante (emulsión o aceite) de modo que en los diferentes programas de laminación debían asumirse soluciones intermedias.

El aceite de laminación posee, como lubricante de la laminación en frío, propiedades lubricantes que son 1,3 veces mejores que en el caso de una emulsión. Junto con aditivos seleccionados, este aceite produce siempre una película homogénea sobre la superficie de la banda que de forma ventajosa conduce a la separación sin problemas de la superficie de la banda y el cilindro que la transforma. Por tanto, la superficie resultante de la banda es extremadamente homogénea y de estructura fina, el brillo superficial que puede conseguirse es alto.

Aunque el aceite de laminación posee la importante desventaja de que representa un medio de conducción térmica muy malo y también presenta una reducida capacidad de calor. En el proceso de laminación esto conduce a temperaturas aumentadas en la banda y el cilindro, con lo que, en el caso desfavorable, los cilindros de trabajo alcanzan temperaturas límite y la propia banda presenta colores de revenido. Debido al reducido efecto de refrigeración, la regulación de la característica plana mediante el enfriamiento por zonas se desarrolla peor que al emplear medios con un mayor efecto de refrigeración.

2.2.3. Características del Fenómeno de Corrosión

•  La fuerza conductora del proceso es la disminución de la energía libre en la reacción que lleva a la formación del óxido. El proceso es llevado a cabo sobre la superficie del metal (importan entonces las condiciones superficiales del las condiciones superficiales del mismo y el medio en las cercanías).

La corrosión metálica es el desgaste superficial que sucede cuando los metales se exponen a ambientes reactivos. Los compuestos químicos que constituyen los productos de tal desgaste son parientes cercanos de las rocas minerales metalíferas que se encuentran en la corteza terrestre. En otras palabras, las reacciones de corrosión ocasionan que los metales regresen a sus menas originales.

2.2.3.1. Corrosión en tuberías

La corrosión de las tuberías depende principalmente del medio ambiente en que están colocadas, del material de su fabricación y del régimen de funcionamiento a que se ven sometidas. El Ingeniero proyectista deberá tener en cuenta estos factores para elegir la protección adecuada.

Los factores que influyen en la corrosión de tuberías metálicas o de las armaduras de las tuberías de hormigón pueden encuadrarse en los grupos siguientes:

• a) La porosidad del suelo, que determina la aireación y por tanto, la afluencia de oxigeno a la superficie de la pieza metálica.

• b) Los electrolitos existentes en el suelo, que determinan su conductividad.

• c) Factores eléctricos, como pueden ser la diferencia de potencial existente entre dos puntos de la superficie del metal, el contacto entre dos metales distintos y las corrientes parásitas.

• d) El pH de equilibrio del agua y del terreno.

• e) La acción bacteriana, que influye en la corrosión de tuberías enterradas junto con la aireación y la presencia de sales solubles.

• f) El aumento de la agresividad, producido por la superposición de dos o más de los factores anteriores.

2.2.4. Formas de expresar la velocidad de corrosión

2.2.4.1. Aumento de peso

• Sólo es aplicable en procesos de corrosión uniforme.

• Productos de corrosión adherentes.

• Método no universal.

• Método no destructivo

Ec. 2.6

Donde:

Pt: Peso de la muestra en el tiempo

P0: Peso inicial de la muestra

A: Área expuesta de la muestra

t: Tiempo de exposición

2.2.4.2. Pérdida de peso

• Aplicable a procesos de corrosión uniforme.

• Método universal.

• Método destructivo.

• Productos de corrosión frágil y fácil de desprender.

Ec. 2.7

Donde:

P0: Peso inicial de la muestra

Pt: Peso de la muestra en el tiempo

A: Área expuesta de la muestra

t: Tiempo de exposición

2.2.4.3. Pérdida de espesor

• Se usa para establecer los coeficientes de seguridad en espesores de partes, piezas y equipos( útil desde el punto de vista ingenieril)

• Permite comparar el comportamiento de materiales distintos.

• Permite conocer la durabilidad de los materiales.

Ec. 2.8

Donde:

e0: espesor inicial de la muestra

et: espesor de la muestra en el tiempo

t: Tiempo de exposición

Tabla 2.3. Escala de la resistencia a la corrosión de los materiales metálicos.

2.2.5. Regímenes de fluidos en tuberías

Flujo laminar.- Existe a velocidades más bajas que la crítica, se caracteriza por el deslizamiento de capas cilíndricas concéntricas una sobre otras de manera ordenada. Se determina que hay flujo laminar cuando el numero de Re (Reynolds) es menor de 2000.

Flujo transicional. – también llamado flujo critico, existe cuando el caudal se incrementa después de estar en flujo laminar hasta que las laminas comienzan a ondularse y romperse en forma brusca y difusa. Se determina cuando el número de Re tiene valores entre 2000 y 4000.

Flujo turbulento.- existe a velocidades mayores que la crítica, cuando hay un movimiento irregular e indeterminado de las partículas del fluido en direcciones transversales a la dirección principal de flujo. Es determinado cuando el número de Re tiene valores mayores a 4000.

2.2.5.1. Numero de Reynolds.

Relaciona la fuerza de inercia y fuerza de viscosidad. Para calcular el número de Re tenemos la siguiente ecuación:

Ec. 2.9

Donde:

Re = numero de Reynolds.

( = densidad ( lb/ pie3 )

D = diámetro ID, ft.

V = velocidad de flujo ( pie / seg ).

( = viscosidad ( lb / ft-seg).

2.2.5.2. Teorema de Bernoulli

El teorema de Bernoulli es una forma de expresión de la aplicación de la ley de la conservación de la energía al flujo de fluidos en tuberías. La Ec. ilustra el balance de energía para dos puntos de un fluido según Bernoulli.

Ec. 2.10

Donde:

Z = Elevación de la cabeza, ft

P = Presión, psi

( ( Densidad, lb/ft3

v = velocidad, pie ( ft)/seg.

g = Constante gravitacional

HL= Perdida de presión de cabeza por fricción, psi.

2.2.6. Clasificación de los procesos de corrosión

2.2.6.1. Corrosión Química

Al exponerse una superficie metálica limpia a la acción del oxígeno, el metal comenzará a reaccionar con éste y formará óxidos. Según la temperatura del ensayo y la concentración de oxidantes se observarán diferentes comportamientos. A baja temperatura, la primera etapa será la formación de una capa adsorbida de oxígeno.

Si la temperatura es suficientemente baja o la concentración de oxidante es escasa, la reacción puede detenerse después de formar esa capa adsorbida. A mayor concentración y temperatura del oxidante se forma una película de óxido, cuyo espesor varía según las condiciones.

Es usual diferenciar las películas delgadas de las gruesas, para estudiar el crecimiento de los óxidos. Como clasificación arbitraria podemos definir óxidos delgados aquellos que tienen un espesor de 1000 A y óxidos gruesos los que tienen un espesor mayor. Hasta no hace mucho tiempo se creía que las películas delgadas crecían en forma continua a partir de la capa adsorbida, se suponía también que el espesor de la película era uniforme. Se demostró más tarde que la oxidación como en la sulfuración de metales, durante el crecimiento de la película forma óxidos y sulfuros respectivamente. Se trata de un proceso de nucleación homogénea que depende de la temperatura y presión del oxidante. Su existencia define propiedades importantes tales como textura, estructura y de los óxidos más gruesos.

Si la película es porosa y permite el libre acceso del oxígeno hasta el metal, el ataque continuará constante hasta consumir el metal o agotar el oxígeno. Se comportan de esta manera, los metales alcalino y alcalino térreos, (Na, K, Ca, Ba, etc).

Se ha comprobado que el crecimiento de los óxidos está gobernado por difusión y que al disponer en un par de ejes coordenados las variables aumento de peso vs. tiempo, estas responden a una ley parabólica.

2.2.6.2. Corrosión Microbiológica

Como los microorganismos que participan en este proceso habitan en gran variedad de sistemas naturales en condiciones ambientales muy diversas sobreviviendo en presencia de niveles de nutrición muy bajos, los casos de corrosión debido a ellos son muy variados. Puede decirse que salvo en aquellos casos en que las características físico – químicas del medio son incompatibles con la vida (altas temperaturas, bajo pH, concentración salina inhibitoria, etc.), es factible encontrar casos de corrosión microbiana en ambientes tan diferentes como suelos, agua dulce, sistemas de enfriamiento, tanques de almacenaje de combustible, estructura de piedra, etc.

La corrosión microbiológica está directamente vinculada con la electroquímica. En todos los casos se encuentra una zona anódica donde se produce un proceso de oxidación que conduce a la disolución del metal (corrosión); mientras transcurre simultáneamente la reducción de algún otro componente del medio a través de la correspondiente reacción catódica. Los m.o. participan del proceso en forma activa sin modificar la naturaleza electroquímica del fenómeno.

Los m.o. participan del proceso de corrosión: produciendo sustancias corrosivas, originadas en su crecimiento o metabolismo, que transforman un medio originalmente inerte en agresivo.

Originando celdas de aireación diferencial por efecto de un desigual consumo de O2 en zonas localizadas.

Destruyendo cubiertas protectoras sobre el metal, que son metabolizados por los m.o.

Consumiendo sustancias inhibidoras de la corrosión y facilitando de esa forma la acción de iones agresivos presentes en el medio o producidos por el metabolismo microbiano; como es el caso de la corrosión microbiológica de aleaciones de aluminio en los sistemas agua / combustibles.

2.2.6.2.1. Métodos de Prevención y Protección de la Corrosión Microbiológica

Los sistemas empleados para prevenir los casos de corrosión causados por los microorganismos generalmente consideran más el aspecto electroquímico del proceso que el microbiológico. Así, los métodos convencionales como el uso de cubiertas protectoras o la protección catódica, se emplean con frecuencia.

La eliminación del microorganismo causante del problema es difícil de lograr en suelos o sistemas abiertos, mientras que en tanques o sistemas cerrados puede ser más factible por medio de bactericidas.

Desde el punto de vista microbiológico, se puede atacar el problema en dos aspectos fundamentales:

• a) Destruyendo o inhibiendo el crecimiento o la actividad metabólica de los microorganismos mediante el añadido de sustancia bactericidas al medio.

• b) Modificando las características del ambiente donde se desarrolla el proceso de corrosión para hacerlo inadecuado al desarrollo de los m.o. perjudiciales (aireación en el caso de las bacterias anaeróbicas, pH alejado del óptimo para el desarrollo, etc).

En el caso de los bactericidas se debe procurar que cumplan con los siguientes requisitos:

Especificidad adecuada sobre el microorganismo. Capacidad para mantener su acción inhibidora frente a otras sustancias presentes en el medio, en similares condiciones de pH y temperatura, no debiendo desarrollar tolerancia por parte del microorganismo. No ser corrosivo para el sistema donde debe usarse.

En el caso de las bacterias reductoras de sulfatos, los cromatos se emplearon con éxito, sobre todo considerando que son buenos inhibidores de la corrosión.

Otros inhibidores empleados son clorofenoles, poliaminas y en el caso de los tanques de aviación, el etilenglicol monometiléter (EGME) y los compuestos orgánicos del boro resultaron altamente efectivos, considerando además las propiedades anticongelantes.

La otra manera de lograr contrarrestar la acción de las bacterias con relación al proceso de corrosión se logra modificando las características del medio, para hacerlo de esa manera inadecuado al desarrollo de las bacterias. La forma de conseguirlo sería:

Remoción de los metabolitos esenciales a las bacterias (eliminación de las fuentes de azufre para los tiobacilos, por ejemplo) modificación de la concentración de oxígeno (en el caso de las bacterias anaeróbicas la aireación puede ser efectiva para inhibir el crecimiento bacteriano).

Las condiciones de ligera alcalinidad pueden ser útiles en el caso del hierro o acero, y es posible alcanzar esa condición en suelos añadiendo cal o carbonato de calcio.

Otro método al cual se recurre comúnmente es el uso de cubiertas protectoras, es decir, alguna capa o recubrimiento que aísle el metal del medio ambiente corrosivo. Su elección deberá ser tal que contemple la característica física, química y bacteriológica del medio ambiente.

2.2.6.3. Corrosión Electroquímica

A la temperatura ambiente la velocidad de oxidación de los metales es en general lenta. Sin embargo, es sabido que a esta temperatura la velocidad puede ser muy elevada. Esto se debe a la acción de un mecanismo de ataque que no se había considerado hasta ahora. A la temperatura ambiente la forma de corrosión más frecuente es de índole electroquímica.

La hipótesis de que la corrosión es un proceso electroquímico es bastante antigua. La idea surgió como resultado de los primeros trabajos con pilas galvánicas, y se supuso que durante la corrosión actuaban micro pilas en el metal. La demostración cuantitativa de la relación entre corrientes eléctricas y ataque de metales en corrosión se debe a Evans; quien demostró que durante la corrosión se cumplen con las Leyes de Faraday.

2.2.6.3.1. Origen de las corrientes eléctricas durante la corrosión

En los procesos de corrosión electroquímica sucede que, en general, circulan sobre el material expuesto a corrosión corrientes eléctricas que originan el ataque. Las causas más frecuentes son:

• a) Dos o más metales distintos en contacto. (Corrosión galvánica). Tal como ocurre con el aluminio en contacto con el cobre o con el grafito.

• b) Presencia de fases diferentes en una misma aleación. Por ejemplo aleaciones termotratables de aluminio, aceros inoxidables sensibilizados, etc.

• c) Presencia de capas de óxidos conductores de electrones. Por ejemplo, óxido de laminación en chapas de hierro, o capas de aceite carbonizado en el interior de los tubos de cobre.

• d) Diferentes grados de aireación de una pieza metálica. Se observa que las zonas en que escasea el oxígeno se comportan como ánodos cuando están unidas a otras zonas con buena aireación.

• e) Corrientes inducidas por circuitos eléctricos mal aislados. Tal es el caso de las corrientes vagabundas en estructuras metálicas enterradas.

• f) Presencia de oxidantes en el medio, que causan la disolución electroquímica de un metal aún cuando este sea puro, sin segundas fases, y aislado de otros metales.

Figura 2.1. Diferentes tipos de corrosión.

2.2.6.4. Ataque localizado de metales

Hasta aquí hemos visto procesos de corrosión homogénea. En todos los casos el metal era atacado con igual velocidad en toda su superficie. Pero también se dijo anteriormente que la forma más grave de corrosión es el ataque localizado.

El ataque localizado aparece siempre como resultado de una heterogeneidad del sistema. Debido a ella, una zona del metal es atacada más rápidamente que las otras. La heterogeneidad puede existir en el metal o puede producirse en el medio corrosivo, por lo que se puede intentar una clasificación.

2.2.6.4.1. Picado

El ataque por picado es una forma de corrosión muy localizada. Se presenta como un ataque muy intenso en áreas del orden del milímetro cuadrado, en tanto que en el resto del metal permanece pasivo. La velocidad de ataque en la picadura puede ser de 30000 a un millón de veces mayor que el resto de la superficie. Se ha observado dentro de las picaduras, densidades de corriente de 0,1 a 10 A/cm2, en tanto, que en la superficie pasiva, en el exterior de la picadura, la densidad de corriente es del orden de 10-6 A/cm2.

Para que ocurra el picado se necesita que el medio corrosivo contenga ciertos aniones que suelen calificarse agresivos. El anión que aparece con más frecuencia como causante del picado es el cloruro. Esto se debe a su amplia distribución en la naturaleza. Sin embargo, también causan picado otros aniones tales como bromuros, ioduros, percloratos, etc.

En general se observa que los iones agresivos son aniones de ácidos fuertes.

Un factor importante es el tipo y concentración de los otros aniones presentes en la solución. Se ha observado que el agregado de ciertos aniones produce grandes desplazamientos en el potencial de picado y hasta llega a evitar por completo el picado. En acero inoxidable se observa que la propensión al picado por cloruros desaparece si se agrega a la solución una concentración determinada de ciertos aniones, como nitrato, perclorato, cromato o sulfato.

La eficiencia inhibitoria de distintos aniones en el picado del acero inoxidable en cloruros decreciente del siguiente modo:

Oxhidrilo > Nitrato > Sulfato > Perclorato

2.2.6.4.2. Efecto de la composición de la aleación sobre el potencial de picado

La composición del metal o aleación afecta sensiblemente el potencial de picado. Por ejemplo, el potencial de picado del aluminio en cloruros aumenta si dicho metal se alea con Cu, no es afectado por Mg, pero disminuye sensiblemente si se alea con Zn.

En aleaciones de Fe-Cr, al variar el contenido de cromo de 25 a 40%, el potencial de picado en cloruros sube de +0,2 a +0, 9 V. Teniendo en cuenta que el potencial a que se inicia la reacción catódica de reducción del oxígeno en soluciones neutras es de +0, 11 V, resulta que las aleaciones de Fe-35%Cr no mostrará picado en soluciones neutras de cloruros (por ejemplo, agua de mar).

La adición de 2, 4% de molibdeno a un acero inoxidable austenítico aumenta el potencial de picado de +0,28 a +0, 73 V, esto explica la buena resistencia a la corrosión en cloruros de los aceros inoxidables del tipo AlSI 316, cuya composición aproximada es: Fe-18%Cr-8%Ní – 2,4%Mo.

2.2.6.4.3. Mecanismo de picado

Al corroerse, el metal pasa a la solución en forma de iones:

Donde L, es el anión de un ácido débil, por ejemplo acetato, borato, silicato, etc. La reacción consumirá los protones producidos por la reacción (2), y no habrá modificaciones importantes del pH como resultado de la reacción (1).

En cambio, si el medio contiene sólo aniones de ácidos fuertes, tales como sulfatos, cloruros, bromuros, etc.

Los aniones no captan protones según la reacción (3). De este modo al sumarse las reacciones (2) y (1) se ve que el proceso de corrosión lleva una acumulación de protones, o sea, a la formación de una zona de acidificación localizada.

Tal como vimos en los diagramas de Pourbaix, una disminución del pH hace que los óxidos que pasivan el metal dejen de ser estables y el metal se desapasive. De esta forma, si la disolución del metal ocurre en presencia de sales fuertes, se producen acidificaciones localizadas conducentes a la desapasivación del metal y al picado.

Se vio también que los iones de los ácidos débiles se oponen a la acidificación localizada mediante la reacción (3), y actúan como inhibidores del picado. Tal es el caso de los cromatos, boratos, carbonatos, etc. que inhiben el picado en presencia de cloruros.

Todo anión que impida la acidificación localizada actuará como inhibidor de picado. Esta inhibición puede producirse también con aniones de ácidos fuertes que pueden descomponerse, tales como los nitratos. El ión nitrato, en medio ácido, como el que se encuentra dentro de la picadura, reacciona del siguiente modo:

Esta reacción consume muchos protones e impide la acidificación localizada. Por esta razón los nitratos inhiben el picado del aluminio inmerso en una solución de cloruros. El nitrato además es un anión de ácido fuerte, por lo que también puede producir picado.