Protección
catódica, con base química, electroquímica y electromagnética, para masas
(tanques) y tuberías (ductos).
Antecedentes.
En la actualidad, los sistemas anticorrosivos para masas,
han tenido una relevante importancia para mantener en confiables valores de
seguridad la infraestructura petrolera, sobre todo en el almacenamiento de
productos peligrosos y altamente volátiles, como los sistemas de bombeo y de
transporte de combustibles o derivados del petróleo.
Cada vez, los mantenimientos
preventivos y correctivos se han incrementado, inclusive se han presentado
fallas inexplicables, en ocasiones con explosiones y consecuencias lamentables,
atribuyendo estos eventos a efectos inducidos por descargas atmosféricas y/o
electrostáticas.
Objetivo.
American Working Directory de
México S.A. de C.V., ha concluido, a través de desarrollos de investigación,
que los fenómenos que actualmente se presentan, se resuelven a través de una
solución preventiva, por medio de una ingeniería de base electroquímica,
despreciando los efectos de tipo electromagnético.
El objetivo principal de este
trabajo técnico, es el de analizar cualquier masa metálica que
independientemente que tenga o no su sistema anticorrosivo, debe mantenerse en
condiciones de equipotenciabilidad referida a nuestro planeta tierra, así como
trabajar como una verdadera pantalla de interferencias y una compatibilidad
electromagnética entre el fluido o material a manejar, entre su medio de
almacenamiento o transporte y el sitio en donde se cimiente o deposite la masa
a proteger.
EL PRESENTE TRABAJO SE
DESARROLLARÁ DE ACUERDO AL SIGUIENTE TEMARIO:
I.
INTRODUCCIÓN
A LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA.
1. CORROSIÓN
1.1. CLASES DE CORROSIÓN
1.1.1. CORROSIÓN
QUÍMICA
1.1.2. CORROSIÓN
ELECTROQUÍMICA
1.1.2a. CORROSIÓN ELECTROQUÍMICA POR
FORMACIÓN DE ELEMENTOS GALVÁNICOS
1.1.2b. CORROSIÓN
POR CORRIENTES DE DISPERSIÓN
1.2. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN
1.2.1.
MEDIDAS DE PROTECCIÓN CONSTRUCTIVAS
1.2.2. PROTECCIÓN SUPERFICIAL
1.2.2a.
REVESTIMIENTOS AISLANTES
1.2.2b.
REVESTIMIENTOS METÁLICOS
1.2.3.
EMPLEO DE
CORRIENTE DE PROTECCIÓN
1.2.4.
INTRODUCCIÓN
A LA PROTECCIÓN CATÓDICA
II. DESARROLLO
ELECTROMAGNÉTICO.
2.1 ECUACIONES DE MAXWELL
2.2 CONSIDERACIONES DE LAS MASAS
III. EL PRINCIPIO DE INTERACCIÓN
MAGNÉTICA Y ELÉCTRICA
IV. CALCULO DE LA CORRIENTE CATODICA PARA PROTECCIÓN A TRAVÉS DEL
SISTEMA FARAGAUSS.
4.1 ANTECEDENTES
4.2 OBJETIVO.
4.3 DESARROLLO.
V. PROBLEMAS
DE AISLAMIENTO DE CORRIENTE EN CONTROL DE BOMBEO, CONTROL DE VALVULAS, INSTRUMENTACION
Y TRANSFORECTIFICADORES QUE CONFORMAN UN
SISTEMA DE TRANSPORTE DE FLUIDOS
5.1 ANTECEDENTES.
5.2 OBJETIVO
5.3 DESARROLLO
5.4 CONCLUSION DE
FUNCIONAMIENTO
Desarrollo del tema.
I. INTRODUCCIÓN A LOS
SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA.
Es importante para soportar el
desarrollo de nuestro tema, recordar brevemente y en forma general ya que no es
nuestro objetivo profundizar los tan ya estudiados y practicados sistemas de
protección catódica.
Así mismo deseamos que este
material técnico logre despertar el interés necesario para ir mas allá de
ciertos paradigmas, que a través del tiempo han caído lamentablemente, en
repetitivas practicas, sin lograr un incremento de los factores de seguridad y
la continuidad de los servicios.
Por otro lado, nuestra meta final
es el de lograr desplazar los dos principales obstáculos que dentro de la
ciencia, se presentan constantemente, los cuales son identificados como la
“Inercia Mental” y los “Intereses creados”.
Estos dos conceptos han frenado el
cambio, la innovación y el progreso, la “Inercia mental” porque se rinde ante
el esfuerzo y el trabajo, dominando la comodidad momentánea y la ley del menor
esfuerzo, y el “Interés creado” porque siempre se anteponen las ventajas
personales a la trascendencia del bienestar para la mayoría o bien común.
El luchar contra estos dos
obstáculos es como realizarlo incansablemente contra dos Gigantes, pues si lo
refiriéramos con la mitología hidra, le renacen siempre nuevas cabezas (o
aliados).
Electroquímica, parte de la química que trata de la relación entre
las corrientes eléctricas y las reacciones químicas, y de la conversión de la
energía química en eléctrica y viceversa. En un sentido más amplio, la
electroquímica es el estudio de las reacciones químicas que producen efectos
eléctricos y de los fenómenos químicos causados por la acción de las corrientes
o voltajes.
1. CORROSIÓN
Se entiende por corrosión la
destrucción o deterioro de los materiales por procesos químicos o
electroquímicos. En el caso del hierro y del acero, se habla indistintamente de
corrosión o de oxidación. La corrosión
comienza en la superficie de la pieza; con ello, en dicha superficie se forma
generalmente una capa de un compuesto químico del metal con el elemento
atacante, por ejemplo el oxígeno. Si
dicho compuesto no es poroso ni soluble en agua, él mismo actúa como un
revestimiento protector, como es el caso del óxido de aluminio sobre el
aluminio; con ello termina la corrosión.
Si dicha capa es porosa, soluble en agua o incluso hidrófila, como por
ejemplo el óxido de hierro, acelera la corrosión.
1.1. Clases de corrosión
Se distinguen la corrosión
química, la corrosión electroquímica y la electromagnética (todas
interactuando).
Razones termodinámicas motivan que
los metales que se han obtenido a partir de sus minerales en la naturaleza
tiendan, en su uso normal, a volver al estado combinado. El fenómeno que
conduce al deterioro progresivo de las propiedades metálicas queda designado
por el término corrosión.
La corrosión es casi siempre de naturaleza
electroquímica, esto es, una corriente eléctrica que circula entre determinadas
zonas de la superficie del metal, conocidas con el nombre de ánodos y cátodos,
a través de una solución llamada electrolito capaz de conducir dicha corriente.
Este conjunto constituye micro o macro pilas en las que la zona anódica es la
que sufre los efectos de la corrosión.
Cuando los átomos del ánodo se
disuelven para formar iones, los electrones que dejan libres hacen al ánodo
negativo con respecto a la solución. Sus electrones pasan al cátodo a través de
la masa metálica y allí neutralizan a los iones positivos. La corrosión, por
tanto, es sostenida por procesos simultáneos anódicos y catódicos.
1.1.1. Corrosión química
En el caso de la corrosión
química, se forman compuestos de los metales por la acción de sustancias
atacantes.
Esta corrosión de tipo
electroquímico, característica de estructuras sumergidas o enterradas, es
sumamente peligrosa, no por la pérdida de metal en si, que suele ser pequeña,
sino por tratarse de una corrosión localizada que puede ser origen de picaduras
profundas.
Para que exista corrosión hemos
visto la necesidad de que existan simultáneamente ánodos, cátodos y un
electrolito.
Estos ánodos y cátodos son micro o
macropilas con una diferencia de potencial entre sus dos semielementos.
Las micropilas pueden tener su
origen en el metal o en el electrolito, siendo en cada caso provocadas por
varios motivos.
El acero caliente se oxida, al
recocer por ejemplo el acero, tres átomos de hierro se combinan con cuatro
átomos de oxígeno formando óxido ferroso-férrico Fe3O4
(cascarilla). Los contactos de plata se ennegrecen, si el aire está contaminado
con humos sulfurados: se forma sulfuro de plata (Ag2S). El cobre de
un conductor en manguera de goma se puede combinar con el azufre del
aislamiento de la goma, si dicho cobre no está protegido por galvanizado. El
cobre se puede combinar también con el ácido acético, dando lugar a la
formación de cardenillo, venenoso. El cobre se combina con los elementos componentes
del aire, formando una pátina insoluble en agua. Sometido a la acción del aire, el aluminio se
cubre de una capa de óxido de aluminio (A12O3). El
aluminio es atacado también por los álcalis. Incluso los morteros húmedos son
perjudiciales para el aluminio, puesto que contienen caliza y la caliza
combinada con agua puede formar un álcali.
Asimismo el plomo es atacado por los álcalis.
1.1.2. Corrosión electroquímica
La corrosión electroquímica
presupone la existencia de un electrolito (líquido conductor de la
electricidad). Normalmente, dicho electrolito es agua (agua de lluvia,
corriente o de mar, humedad del aire, sudor corporal). También los aceites y
las grasas pueden actuar como electrolitos, si se han vuelto rancios bajo la
acción del aire y del calor o si por cualquier motivo no están libres de ácidos
y álcalis.
Los procesos que se presentan en
la corrosión electroquímica son similares a los producidos en el interior de un
elemento galvánico. Cuando un metal se disuelve en un electrolito y debido a la
cesión de electrones por parte de los átomos, se produce un exceso de
electrones en el metal, al abandonar los iones la superficie de dicho metal (Fig. 1.1). La tendencia del metal a
disolverse se llama tensión de disolución. Sumergidos en un electrolito, los
metales cuya tensión de disolución es elevada presentan un gran exceso de
electrones y metales cuya tensión de disolución es baja, un pequeño exceso de
electrones. El metal que forma el polo negativo resulta deteriorado al ceder
iones; se dice que es el metal menos noble.
Figura 1.1 Formación de la carga negativa en una
placa de Zinc, debido a la formación de iones.
1.1.2a. Corrosión electroquímica por
formación de elementos galvánicos
Con frecuencia, las distintas
partes de una pieza están formadas por distintos metales. Si existe además un
electrolito, se originan elementos galvánicos. Si los distintos metales están
unidos eléctricamente entre sí, dichos elementos galvánicos se hallan en
cortocircuito. Por el elemento, llamado elemento de corrosión, circula una
corriente (corriente de corrosión).
Para ensayos que tienen por objeto
demostrar en poco tiempo los efectos de la corrosión, es necesario un
electrolito adecuado. Para ensayos con hierro o acero se puede emplear una solución
de 10 g de ferrocianuro potásico en 1 litro de agua corriente. El ferrocianuro
potásico K3[Fe(CN)6] es particularmente apropiado, porque
forma una capa de color azul oscuro, aun con muy pocos iones de hierro. En las
prácticas sobre corrosión que siguen, dicha solución se llamará electrolito de
ensayo.
Experimento 1: Unir eléctricamente un perno de acero desnudo, bien
desengrasado, con una placa de cobre; introducir ambos en el electrolito de
ensayo y añadir algunas gotas de ácido sulfúrico al 10 %. Observar el perno de
acero.
Transcurridos unos 5 minutos, el
acero queda cubierto de una capa de corrosión
(Fig. 1.2). Dicha capa se hace cada
vez más gruesa.
La tensión galvánica generada
provoca una corriente, al estar en
cortocircuito el perno de acero y la placa de cobre. La corriente circula del
polo positivo (cobre), a través del conductor de cortocircuito, hasta el polo
negativo (acero) y de aquí vuelve al polo positivo a través del electrolito. El
punto o zona en que la corriente pasa
del metal al electrolito se denomina zona o electrodo de salida. La corriente
pasa de nuevo del electrolito al metal por la zona o electrodo de entrada
(Fig.1.2).
Figura 1.2. Corrosión producida
por la corriente generada en la pieza
Como
los iones metálicos tienen carga positiva, se mueven en el mismo sentido que la
corriente. En consecuencia, los iones positivos debidos a la tensión de
disolución son alejados continuamente del electrodo de salida por la corriente
de modo que puede disolver al material nuevo. Así pues, se extrae material del
electrodo de salida (Fíg. 1.3). Por
el contrario, los iones positivos del electrodo de entrada son empujados por la
corriente hacia el propio electrodo de entrada. Por tanto, no se produce en
éste ninguna extracción de material.
Figura 1.3 Extracción de material
en el electrodo de salida
Los
iones desprendidos del electrodo de salida pueden formar compuestos químicos,
en combinación con otras sustancias del electrolito. En el hierro, generalmente se forma hidróxido
de hierro, que se transforma en orín o herrumbre. El orín está formado por óxido de hierro e
hidróxido de hierro, con agua.
La corriente eléctrica puede provocar corrosión de acuerdo al vector de
Poynting w/m (EMI y RFI depositada en
estructuras).
La zona de salida de la corriente se corroe.
La zona de entrada de la corriente no se corroe.
La intensidad de la corrosión
depende de la intensidad de la corriente de corrosión. Como dicha corriente es
originada por elementos cortocircuitados, es tanto mayor cuanto mayor es la
tensión. Ahora bien, la tensión aumenta con la separación entre los elementos
en cuestión en la serie de tensiones, la concentración del electrolito y la
eficacia del despolarízador. En la corrosión, el oxígeno del aire actúa como
despolarizador.
El peligro de corrosión
es tanto mayor, cuanto más separados están los metales en la serie de
tensiones, cuanto más eficaz es el electrolito y cuanto mejor se puede disolver
el aire en el electrolito.
Si se hallan en contacto piezas de
distintos metales y se añade un electrolito, se produce una corrosión por
contacto. Este puede ser el caso, por ejemplo, de las uniones de conductores de
cobre con conductores de aluminio, de contactos de plata sobre bases de
aleación Cu-Zn y de tornillos de acero sobre barras de aluminio (Fig. 1.4). También las piezas de
grafito (carbono) pueden dar lugar a corrosión por contacto.
Figura 1.4 Corrosión por contacto
en una unión roscada de barras colectoras
En los metales, con frecuencia la
estructura cristalina no es uniforme. Así, por ejemplo, en el acero existen
cristales de ferrita (Fe puro) junto a cristales de carburo de hierro (Fe3C).
Al penetrar la humedad, se originan pequeños elementos, llamados elementos
locales, en ellos el cristal de Fe constituye el polo negativo, que se
destruye.
En
el caso de elementos metálicos enterrados de gran longitud (conducciones,
revestimientos de cables), se puede producir corrosión, sin que haya metales
distintos en contacto. En este caso, se puede generar una tensión en el mismo
metal, debido a la existencia de dos electrolitos de diferente composición.
Éste es el caso, cuando el suelo presenta características distintas a lo largo
de la conducción (constante geoelectromagnética).
En cuanto se presentan en la
superficie del metal los primeros fenómenos de corrosión, por ejemplo manchas
aisladas de óxido, la corrosión se acelera rápidamente. Los productos de
corrosión formados por compuestos químicos de los metales tienen, en la escala
de tensiones, posiciones distintas a las de los propios metales. Su tensión de
disolución es inferior a la del metal correspondiente. Si hay un electrolito,
los productos de corrosión pueden formar elementos galvánicos junto con el
metal. En tal caso, el metal constituye el polo negativo y se corroe aún más (Fig. 1.5).
Figura 1.5 Corrosión en una pieza
de acero con puntos de oxidación aislados
1.1.2b. Corrosión por corrientes de
dispersión
La corrosión
electroquímica es provocada por la corriente, por lo tanto, también la corriente
continua de una instalación eléctrica puede producir corrosión, si abandona el
circuito de servicio. A dicha corriente se le llama corriente de dispersión. Si
la misma pasa de un metal a un electrolito, da lugar a una corrosión por
corriente de dispersión.
La corriente alterna no produce
corrosión, puesto que es incapaz de provocar desprendimiento de material. El sentido de movimiento de los iones cambia
continuamente, al igual que el sentido de la corriente.
En conclusión, la corrosión no es
directamente a causa de la corriente alterna, si no a la no uniformidad de la
estructura cristalina del acero.
La corrosión por
corrientes de dispersión deteriora los metales, en la zona de salida de la
corriente.
La corrosión por corrientes de
dispersión se puede presentar en todas las instalaciones de corriente contínua.
Con frecuencia se presenta en los bornes de las baterías de automóviles.
Incluso en los cojinetes de máquinas alimentadas con corriente continua se
puede originar este tipo de corrosión.
Las puestas a tierra de
instalaciones de corriente contínua, por las que circula corriente, están
sometidas también a la corrosión por corrientes de dispersión.
En la tierra, las corrientes de
dispersión se reparten sobre grandes superficies, circulando por caminos que no
se pueden determinar de antemano y que dependen de la resistencia específica
del suelo. Las corrientes de dispersión que circulan por tierra se llaman
también corrientes de tierra. Todas las piezas metálicas de cierto tamaño,
tales como tuberías y envolventes de cables, situadas en las proximidades de
carriles de tranvía (Fig. 1.6)
corren peligro de corrosión por corrientes de dispersión.
Figura
1.6 Corrosión de una envolvente de cable, de plomo, debido a corrientes de
tierra provocadas por estar mal puenteada una unión
de carriles
1.2. Protección contra la corrosión
La corrosión química se puede evitar impidiendo la entrada a las
sustancias atacantes. Para ello, se cubre la superficie del metal con un
revestimiento que actúa como protección superficial.
En algunos metales, la propia capa
de corrosión proporciona una protección superficial. El cobre forma, combinado con los componentes del aire, una capa
protectora, llamada pátina. El aluminio,
al ser atacado por el oxígeno del aire, forma una capa protectora de óxido de
aluminio (A12O3). El plomo
forma, en combinación con el ácido sulfúrico y con el ácido clorhídrico, una
carga protectora formada por sales de plomo (sulfato de plomo, cloruro de
plomo); así, el plomo resiste la acción de dichos ácidos.
Si
bien las capas protectoras naturales de los metales citados resultan muy útiles
con vistas a la corrosión, a menudo es un inconveniente que dichas capas
conduzcan mal la corriente, especialmente el caso de los contactos.
La corrosión electroquímica se puede evitar, impidiendo el
paso de la corriente de corrosión. Se puede conseguir esto interrumpiendo el
circuito de la misma o también anulando el efecto de dicha corriente de
corrosión por medio de una corriente de protección de sentido contrario, que
es la oferta catódica del electrodo Faragauss.
1.2.1. Medidas de protección constructivas
La amplia utilización de los
plásticos (por ejemplo, envolventes de aparatos de maniobra de termoestables,
tubos y cajas de termoplásticos) reduce las posibilidades de corrosión. De
todos modos, determinadas piezas constructivas, que deben presentar propiedades
eléctricas y mecánicas definidas, no se pueden fabricar en plástico. Los
materiales conductores, magnéticos y para resistencias son casi siempre metales,
con peligro de corrosión. Los ejes y árboles son generalmente de acero, las
carcasas de fundición y los recubrimientos de chapa de acero.
Es necesaria una ventilación
suficiente, para que no pueda acumularse electrolito alguno. El taponado de los
huecos de ventilación conduce a condensaciones de agua, lo que a su vez acentúa
el peligro de corrosión. A fin de que no
puedan formarse elementos galvánicos de corrosión, se debe procurar evitar el
contacto entre metales distintos. Cuando la unión entre metales diferentes no
ha de ser conductora, es usual el empleo de capas intermedias aislantes (Fig. 1.7).
En casos sencillos, basta con
emplear masilla como aislante. Si hay humedad, se utiliza una lámina intermedia
de plástico o cinta aislante.
Figura 1.7 Unión aluminio-acero,
por medio de un tornillo de acero galvanizado
Especialmente los puntos de
contacto entre cobre y aluminio corren peligro de corrosión por contacto. En
las líneas aéreas, cuando hay que hacer una unión Cu-Al, se emplean bornes de
unión (fig. 1.8) o capas intermedias
de chapa de cobre plaqueada con aluminio. De este modo, el conductor de cobre
sólo se halla en contacto con cobre y el conductor de aluminio con aluminio.
Los puntos de unión en el borne de unión propiamente dicho se protegen de la
humedad por medio de un barniz aislante.
Figura 1.8 Borne de Unión Cu-Al
Si la corriente circula únicamente
por conductores metálicos y no por un electrolito, no puede producirse corrosión por corrientes de dispersión.
Debido a ello es preciso apretar bien los bornes roscados.
En el caso de instalaciones de
puesta a tierra, la corriente puede circular por las mismas, para pasar al
suelo, que actúa como electrolito. Por tanto, las tomas de tierra de
instalaciones de corriente continua, por las que circula corriente en servicio,
están sometidas a peligro de corrosión especialmente alto. Por el contrario,
las puestas a tierra puramente de protección corren menos peligro, puesto que
por ellas sólo circula corriente cuando se origina un defecto.
Siempre que es posible se evita
hacer circular corriente por tierra, para que no haya lugar a corrientes de
dispersión. Por tanto, en redes de telecomunicaciones no deben emplearse como
conductores para la corriente de servicio la tierra ni las envolventes de los
cables, si cada receptor individual consume más de 0,1 A (VDE 0150). En los
ferrocarriles eléctricos, es forzoso emplear la tierra como conductor de
retorno, puesto que la resistencia eléctrica de la vía es bastante alta y
prácticamente imposible aislar los carriles respecto a tierra. Las piezas
metálicas de cierto tamaño, situadas cerca de vías de c.c., tales como las de
tranvías, se deben unir, por lo tanto, con la barra negativa de la central
generadora o transformadora.
Esto es válido especialmente para
tuberías metálicas (fig. 1.9). La
corriente de servicio circula de la barra colectora P de la subestación, a
través de la catenaria, al motor, retornando a continuación a la barra N. En el
camino desde el motor a la barra N, la corriente se dispersa, debido a la
elevada resistencia de la vía; una parte de dicha corriente sale fuera de los
carriles, provocando corrosión. Dicha corriente circula por tierra, hasta
alcanzar la o las tuberías existentes, si éstas están unidas metálicamente con
N, en adelante dicha corriente circula exclusivamente por circuitos metálicos,
no produciéndose corrosión en la tubería. Si la tubería no está unida
metálicamente con N, la corriente debe abandonar de nuevo la tubería, para
llegar a N; en consecuencia, la tubería se corroerá en la zona de salida de
dicha corriente.
Figura 1.9 Derivación de
corrientes de dispersión, por una red de tuberías
La formación artificial de un
camino metálico para las corrientes de dispersión en tierra se llama derivación
de la corriente de dispersión.
La derivación de las
corrientes de dispersión impide la corrosión debida a las mismas.
La derivación de las corrientes de
dispersión puede ser necesaria en las proximidades de todas las instalaciones
de corriente continua, tales como tranvías, instalaciones rectificadoras,
instalaciones de electrólisis e instalaciones de soldadura.
Si
el polo negativo está unido a masa y se produce humedad en un borne, circula
una corriente errante a masa (Fig. 1.10),
que actúa simultáneamente como corriente de corrosión. Se corroen las zonas de
salida del borne; las zonas de entrada a masa no se corroen. En cambio, si el
polo positivo está unido a masa, puede circular una corriente errante de masa
al borne; el borne no se corroe, pero sí la masa.
Figura
1.10 Corrosión por corrientes errantes, en un borne de automóvil (polo
negativo)
En las instalaciones de
telecomunicaciones, de corriente continua, generalmente se pone a tierra el
polo positivo del generador de tensión. De este modo, no se produce en los
conductores y bornes corrosión debida a las corrientes errantes.
1.2.2. Protección superficial
Experimento 2: Engrasando una parte del electrodo de salida con
grasa resistente a los ácidos.
La parte no engrasada se corroe,
pero no así la engrasada (Fig. 1.11).
Figura 1.11 La protección
superficial impide la corrosión
La capa de grasa protege la
superficie, y el electrolito no puede alcanzar, a través de ella, el metal. Los
revestimientos aislantes y los revestimientos de metal resistente impiden que
las sustancias atacantes o electrolitos puedan llegar al metal a proteger.
1.2.2a. Revestimientos aislantes
Cuando no se exige gran duración a
la protección contra la corrosión, es suficiente aplicar una capa de aceite o
de grasa. Se emplea para ello aceite mineral libre de ácidos o bien
grasa mineral. Se consigue una mejor protección cubriendo la superficie en
cuestión con cera dura.
Una protección mejor la
proporciona la aplicación de pinturas o
barnices. Unas y otros deben ser compactos y adherirse bien a las piezas.
La aplicación se efectúa a mano, por inmersión o por pulverizado (a pistola).
Las capas pulverizadas son más uniformes, pero también más porosas que las
aplicadas a brocha o rodillo.
Antes
de aplicar pinturas al aceite y barnices, es preciso limpiar a fondo las
superficies, eliminando posibles capas de corrosión (herrumbre, etc.) e
impurezas y de ser posible también la cascarilla de laminación. Dicha limpieza
se realiza generalmente con ayuda de cepillos de acero o por chorreado. El
chorreado consiste en proyectar sobre la pieza en cuestión, por medio de aire
comprimido, arena o granalla de acero. Cuando se emplea el desoxidado químico,
es preciso eliminar totalmente el producto desoxidante utilizado, pues en caso
contrario el mismo podría producir una nueva corrosión. Los restos de aceite se
pueden eliminar por medio de productos desengrasantes o en un baño
electroquímico.
Las superficies metálicas a
proteger deben ser rugosas, para que la capa protectora se adhiera bien. Cuando
la base es lisa, especialmente en el caso de los metales no férricos, se emplea
una imprimación adherente (wash-primer), que contiene un pequeño porcentaje de
ácido fosfórico y cromato de zinc básico, por lo que reacciona químicamente con
el metal.
El acero y el hierro pueden
oxidarse también bajo la capa de pintura, por lo que, antes de aplicar pinturas
al aceite o barnices, es necesaria una imprimación,
como protección contra la oxidación propiamente dicha. Para ello se emplea
generalmente minio (Pb3O4), desleído en barniz de aceite
de linaza. El barniz de aceite de linaza es un aceite de linaza mezclado con
agente secante y cocido, de tal modo que seca rápidamente. Con menor
frecuencia, se emplean como imprimación pinturas de polvo de zinc o pinturas de
cromato de zinc. Como aglutinante para la imprimación se emplean, además del
aceite de linaza, las resinas sintéticas. A la imprimación le sigue la capa
base. Una vez seca esta última, se puede aplicar la capa de acabado (Fig. 1.12). En lugar de las capas base
y de acabado, se pueden utilizar también barnices.
Figura
1.12 Constitución de un sistema de pintura
Además de las pinturas, se emplean
también revestimientos termoplásticos, que se pueden aplicar sobre la pieza por
pulverizado o por sintetizado fluidizado (impulsión por soplado de polvo de
plástico sobre la pieza caliente).
Los revestimientos aplicados química o electroquímicamente tienen
importancia especialmente en los casos del acero y del aluminio, y como
protección adicional en las piezas galvanizadas, cadmiadas y plateadas.
El fosfatado consiste en la creación, por medios químicos, de una capa
de fosfato de hierro sobre las piezas de acero. Las piezas en cuestión se
introducen, colgadas, en un baño formado por agua y sales de fósforo. La capa
de fosfato propiamente dicha no ofrece prácticamente protección alguna contra
la corrosión, pero proporciona una excelente base para revestimientos de
pintura y capas de cera.
El anodizado (oxidación electrolítica) se aplica introduciendo una pieza
de Al como ánodo y una placa de plomo como cátodo, en ácido sulfúrico diluido.
La corriente continua provoca la formación de una capa estanca de óxido, que
crece 1/3 hacia fuera y 2/3 hacia dentro. Dicha capa presenta buena adherencia,
es dura y tenaz a un tiempo, eléctricamente aislante y fácil de pintar. Muchos
metales se pueden hacer químicamente inertes (pasivos) y protegerlos así de la
corrosión, por medio de capas de cromato muy delgadas. Este tratamiento,
llamado pasivado, se emplea
principalmente para proteger revestimientos de zinc, cadmio y plata. Para ello,
las piezas a proteger se introducen en una solución acuosa de ácido crómico;
con frecuencia, las piezas así tratadas toman un color similar al del latón.
1.2.2b. Revestimientos metálicos
Sólo es posible obtener una protección duradera contra la
corrosión, por medio de revestimientos metálicos, siempre que el revestimiento
protector sea compacto. Si el revestimiento es de metal más noble, por ejemplo
estaño sobre acero, en caso de fallo del revestimiento se originan elementos
galvánicos locales, que motivan un aumento de la corrosión del metal base. Si
el metal de revestimiento es menos noble que el metal base, aun en caso de
fallo del revestimiento, el metal base queda protegido (Fig. 1.13), si bien, con el tiempo, el revestimiento termina por
consumirse totalmente. La reducción anual de espesor de los revestimientos de
zinc o de cadmio, no pintados, varía, según el grado de pureza del aire, de
0,001 a 0,03 mm. Antes del metalizado, las piezas deben desengrasarse a fondo.
Esto se puede hacer con gasolina o también con tricloroetileno (llamado también
«tricloro» o «tri»), que no presenta peligro de inflamación. En el caso del
galvanízado, el desengrasado se realiza frecuentemente en un baño electrolítico
de desengrasado; en este caso, el electrolito más usual es la sosa cáustica.
Las piezas se conectan al polo negativo y constituyen el cátodo. El paso de la
corriente continua provoca la formación de burbujas de hidrógeno en la
superficie de las piezas, las cuales arrancan la grasa; dicha grasa, al subir
hacia la superficie del baño de sosa cáustica, es saponificada, con lo que
puede disolverse en el agua.
Figura
1.13 Efecto protector del Zinc sobre acero
Existen diversos procedimientos para la aplicación de revestimientos
metálicos:
Metalizado a fuego (por ejemplo galvanizado a fuego, emplomado a fuego,
plateado a fuego, estañado a fuego). En estos procedimientos, las piezas, una
vez desengrasadas, se introducen en un baño de metal de revestimiento fundido.
Galvanizado. Las piezas, bien desengrasadas se introducen en un
baño acuoso de sales metálicas, conectándolas como cátodo al polo negativo.
Como ánodo se conecta, al polo positivo, una placa del metal de revestimiento.
Pulverizado metálico. En una
pistola de pulverizar, el metal de revestimiento, aportado en forma de alambre,
es fundido por una llama de gas, pulverizado por la acción de un gas a presión
y proyectado sobre la pieza a tratar. Dicha pieza debe estar bien desengrasada
y previamente calentada, pues en caso contrario el revestimiento metálico se
desprenderá.
Plaqueado. Este tratamiento consiste en aplicar, por laminado,
una delgada lámina del material de revestimiento (cobre, níquel, latón,
aluminio), sobre una o ambas caras del metal a proteger.
La protección más eficaz contra la
corrosión se consigue combinando los revestimientos citados, por ejemplo por un
revestimiento de zinc y pintura o pasivado.
1.2.3. Empleo de corriente de protección
El empleo de una corriente auxiliar
para la protección contra la corrosión se denomina protección eléctrica contra
la corrosión. En los procedimientos citados anteriormente se trataba de impedir
la corrosión. Con la protección eléctrica contra la corrosión se desvía
intencionadamente la corrosión hacia un punto, en el que la misma ocasione un
daño mínimo.
La corriente de protección puede
ser debida a la formación de elementos o bien proceder de un generador especial
(Electrodo
Magnetoactivo Faragauss).
Para que pueda circular corriente
de protección es necesario que todo el elemento o pieza a proteger esté situado
en un electrolito, como por ejemplo agua o tierra. La protección eléctrica
contra la corrosión se puede emplear para tuberías, depósitos, envolventes de
cables, instalaciones portuarias y buques.
La
corriente de protección se introduce en el electrolito por medio de electrodos
de salida y circula por dicho electrolito hacia el elemento o pieza a proteger.
Los electrodos de salida se denominan ánodos. Dichos ánodos se sacrifican, para
evitar la corrosión en el objeto a proteger (Fig. 1.14), por ello se les llama ánodos de sacrificio.
Figura 1.14 Ánodos de sacrificio
de magnesio, nuevo y usado
Los
ánodos de sacrificio pueden ser de magnesio o de zinc. Debido a su situación en
la escala de tensiones, dichos metales forman elementos galvánicos con el
hierro. Si los ánodos de sacrificio están eléctricamente unidos con el objeto a
proteger, la corriente circula en el sentido del magnesio o zinc hacia el
hierro, a través del electrolito (Fig.
1.15).
Figura 1.15 Instalación con ánodo
de magnesio
También se pueden emplear ánodos
del mismo material, o incluso de uno más noble, tales como chatarra de acero o
grafito. En tal caso, se debe aplicar una tensión exterior, para que la corriente
circule siempre hacia el objeto a proteger (Fig.
1.16). Este último debe estar provisto de un revestimiento aislante, por
ejemplo de pintura, a fin de que la corriente de protección se mantenga lo más
reducida posible. Entonces, la corriente de protección sólo necesita impedir la
corrosión en los puntos defectuosos del revestimiento.
La protección eléctrica contra la
corrosión a base de ánodos de grafito y alimentación por la red tiene la
ventaja de que, para una corriente de protección igual, los ánodos de grafito
se desgastan menos que los ánodos metálicos, por lo que su duración es mayor.
Figura 1.16 Instalación con ánodo
de grafito
El aluminio, cuando constituye el
electrodo de entrada, no queda protegido, puesto que el hidrógeno que se forma
en él destruye la capa protectora de óxido. Por el contrario, el aluminio sí
queda protegido cuando el mismo actúa como electrodo de salida, esto es, cuando
está conectado al polo positivo. El oxígeno producido refuerza la capa
protectora de óxido.
1.2.4 INTRODUCCIÓN A LA protección CATÓDICA
La
protección catódica es, quizás, el método mas importante para conseguir el
control de la corrosión, en los casos en que su aplicación es posible.
Mediante
una corriente eléctrica aplicada exteriormente, desde unos ánodos situados en
el mismo electrlito que la estructura, la corrosión se reduce virtualmente a
cero y se puede mantener una superficie metálica en un medio corrosivo, sin
sufrir deterioro durante un tiempo indefinido.
Por ello,
el metal a proteger debe alcanzar un determinado potencial respecto a un
electrodo de referencia, denominado Potencial de Protección.
Su campo
clásico de aplicación es en protección externa de estructuras metálicas
sumergidas o enterradas, y en protección interna de depósitos y grandes tubos
que contengan agua.
Pueden
utilizarse recubrimientos inorgánicos como vitrificados, silicatos de zinc,
cemento, o bien recubrimientos orgánicos aplicados en frío o en caliente,
siendo estos últimos los más empleados en estructuras enterradas.
Los
recubrimientos orgánicos deberían reunir las condiciones siguientes para
constituir una solución idónea:
a) Perfecta adherencia a la superficie
metálica, tanto en el momento de la aplicación como durante toda la vida de la
instalación.
b) Ser compactos y no porosos.
c)
Poder dieléctrico elevado.
d)
No absorber humedad.
e)
Dureza para evitar su rotura (lo que ocasiona que quede la superficie
metálica al descubierto).
f)
Elasticidad para absorber las dilataciones del metal base, sin
fisurarse.
g)
Inalterabilidad frente a los agentes químicos.
h)
Inerte ante hongos y bacterias.
Métodos
electroquímicos.
Pueden
citarse: protección anódica, protección catódica y bloqueo, canalización y
disipación de corrientes vagabundas.
De ellos,
la protección catódica es el método mas extendido y tiene un gran campo de
aplicación en los metales enterrados o sumergidos y en los recipientes que
contienen líquidos.
Hemos
descrito el mecanismo de corrosión electroquímico que se produce siempre,
excepto en la oxidación a elevadas temperaturas que es un caso poco frecuente
que no vamos a tratar.
Por lo
tanto, para luchar contra la corrosión debemos eliminar, o separar de los otros
dos, uno de los tres elementos citados: ánodo, cátodo y electrolito.
Si
distinguimos entre corrosión atmosférica y corrosión de estructuras enterradas
y sumergidas podemos también distinguir los métodos de protección.
En el caso
de metales situados en una atmósfera agresiva, el electrolito es la zona húmeda
cercana al metal, que no podemos modificar excepto en ciertos casos mediante
inhibidores en fase vapor. No podemos tampoco emplear la protección catódica
clásica. Nos queda pues tan solo el diseño y selección de metales y el empleo de
recubrimientos protectores que separen el electrolito de los ánodos y cátodos y
en algunos casos tengan además un carácter activo como el galvanizado.
Cuando se
trata de estructuras enterradas, además de lo anterior podemos aplicar la
protección catódica y raramente modificar el electrolito.
II. DESARROLLO
ELECTROMAGNÉTICO.
El
presente desarrollo tiene su fundamento en los siguientes principios
científicos.
2.1 Ecuaciones de Maxwell
La Primera y Segunda ecuaciones de Maxwell establecen que: "Toda
variación espacial de un campo (eléctrico o magnético) en un punto en el
espacio, se debe a la existencia o a la variación temporal de otro campo, en el
mismo punto del espacio".
a) Primera Ecuación:
rot H = J + dD/dt
en donde: J = E =
densidad de corriente eléctrica distribuida en diferentes puntos de un
conductor o masa en forma
tridimensional
E = campo
electrostático
dD/dt =
componente de desplazamiento
D = ÎE; Î = constante dieléctrica
H = campo
magnético
b) Segunda ecuación
rot E = dB/dt
en donde: B = H (inducción magnética).
=permeabilidad magnética
Desarrollando estas ecuaciones,
considerando la divergencia del desplazamiento eléctrico y de la inducción
magnética se obtienen cuatro ecuaciones vectoriales:
a) Ñ X E = – dB/dt
V/m2
b) Ñ X H = dD/dt + J
A/m2
c) Ñ · D
= As/m3
d) Ñ · B = 0 Vs/m3
Si consideramos la divergencia de
la ecuación “b” se obtiene:
Ñ · Ñ X H = 0 = Ñ · (dD/dt + J) = dÑ/dt · D + Ñ · J A/m2
Apoyándose en la ecuación “c” se
obtiene que: d/dt + Ñ ·
J = 0 A/m3
Concluyendo, la
conservación de las cargas eléctricas (ecuación de continuidad).
En el caso de recipientes
de almacenamiento con variaciones dinámicas de niveles, así como transportes de
fluidos a través de ductos o sea regímenes no estacionarios.
La ecuación de
continuidad, constituye una forma de expresar la ley de conservación de la
masa, por lo que todos los trabajos de fluidos (Flujos) deben satisfacer la
siguiente ecuación de continuidad.
(soportado en volumen
finito ).
Para régimen de flujos
estacionarios, el término es
igual a cero.
Es importante resaltar
que existen dos fuerzas naturales que actúan e influyen sobre la masa, y éstas
son las fuerzas producidas por un campo de esfuerzo, conformado por la gravedad
y por el campo electromagnético.
Por lo tanto:
Considerando lo anterior, es
importante resaltar la acción de la temperatura en la conducción de fluidos o
almacenamiento.
En el fenómeno de disipación o
conducción de calor, es un proceso de transporte de la energía por un contacto directo entre las partículas de un
cuerpo o entre cuerpos a diferentes temperaturas en virtud del movimiento de micropartículas de la
sustancia.
En los metales la conducción de calor es
debido a los electrones libres, movimiento que en un metal a elevadas
temperaturas, estos electrones libres conducen a igualar temperaturas en todos
los puntos del metal, ya que su movimiento se efectúa de los puntos más
calientes hacia el de menor temperatura.
Estos electrones, no hay que
olvidar que son portadores de calor y electricidad, por lo tanto la
conductividad térmica de un metal es proporcional a su conductividad eléctrica.
Las temperaturas se pueden
presentar por el propio terreno, cortocircuitos de algunas componentes o
equipos auxiliares de control, corrientes vagabundas, inducciones
electromagnéticas de alto valor de tiempo de exposición, más la propia fricción
del fluido transportado, sin olvidar los campos electromagnéticos solares,
teniendo como principal efecto, la dispersión de electrones (motivados a la
pérdida de uniformidad de la distribución electrónica), influyendo a la
variación de la conductividad térmica y eléctrica.
2.2 Consideraciones de las masas
Para lograr completar el presente
desarrollo se deben de referenciar las condiciones no únicamente ambientales,
si no las de nuestro propio planeta tierra que en la actualidad tienen
condiciones del tipo natural y artificial, las cuales pueden ser:
1) Natural. Estas son
dependientes de:
a)
Campo geomagnético de nuestro planeta.
b)
El tipo de
terreno y sus campos seculares.
c)
Corrientes
circulantes del planeta.
d)
Inducciones
electromagnéticas solares.
e)
Microorganismos o bacterias.
f)
Descargas
atmosféricas.
2) Artificial.- Estas son las más conocidas o
practicadas y se generalizan en:
a)
Corrientes vagabundas o circulantes inducidas por
subestaciones o cruces con vías para trenes.
b)
Campos electromagnéticos inducidos por líneas de
transmisión.
c)
Campos electromagnéticos y de radiofrecuencia
radiados por satélites, radio transmisores,
teléfonos celulares, etc.
d)
Inducciones electrostáticas del producto a
transportar o almacenado hacia la masa.
Ante esta gama de variables
dependientes, se debe de efectuar el análisis de control, para deprimir o
cancelar los efectos que se presentan durante una operación de protección de
las instalaciones.
Por lo tanto concentraremos su
desarrollo, en dos campos; el eléctrico y el magnético, considerando que son
auto dependientes entre sí, tomando en cuenta que los fenómenos que estos
campos predisponen en forma impredecible a posibles fallas.
Como referencias principales
debemos analizar los elementos participantes (suelo y masa) con un mapeo de
impedancias y admitancias así como conductancias, para determinar el
funcionamiento que al determinar una instalación como un todo, se debe otorgar
como condiciones exigibles en el cálculo de una protección catódica, para prolongar la vida útil así
como apoyar a la deficiencia, del sistema anticorrosivo recomendado o aplicado,
y por ende al material base que es al que se enfoca nuestro principal objetivo,
y así incrementar la vida útil y sobretodo su seguridad total.
Partiendo de lo anterior, nos apoyamos en los
siguientes esquemas, en los cuales no se consideran los sistemas o
recubrimientos anticorrosivos.
e = espesor del tubo
Æ
= diámetro interior
p = profundidad del
cimiento soporte
h = altura del
soporte
|
e = espesor del tubo Æ
= diámetro interior p = profundidad del
cimiento soporte h = altura del
soporte |
Figura 2.1
Figura
2.2 Mapa de Impedancias y Admitancias
Z1 = Impedancias del
tubo metálico
Z2 = Impedancia del
soporte (no enterrado)
Z3 = Impedancia del
soporte dentro del terreno de relleno
Z4 = Impedancia de
contacto dentro del terreno de relleno
Y1 = Admitancia del
relleno (suponiendo un relleno homogéneo y bien compactado).
Y2 y Y3 =
Admitancias del terreno natural (terreno no homogéneo y de diferente valor).
ZF = Impedancia del
fluido transportado.
ANÁLISIS:
Y1 > Y2
Y1 > Y3
Figura 2.3
Æ =
diámetro interior
e = espesor
b = altura del relleno
c = espesor de la plantilla
d = ancho del foso
