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Boletín técnico de INDISA S.A.

   Medellín, febrero 21 de 2011 No.92
f

 

PROTECCIÓN CATODICA PARA PRINCIPIANTES

introduccion

Autor: Ingeniero Hernán Buitrago

Cathodic protection tester, certificado NACE No 29009

 

INTRODUCCIÓN

En los INDISA On Line 68 y 69 se presentaron los principios básicos de la corrosión y las formas más comunes de manifestación de esta en los metales; en el presente artículo se presentará de manera básica uno de los mecanismos empleados para  controlar la corrosión: la protección catódica.

El diseño de un sistema de protección catódica efectivo no es una tarea sencilla y requiere experiencia, conocimiento, y juicio.

La protección catódica y su aplicación conllevan el análisis de cada situación específica, mediciones de campo de algunas variables y su diseño posterior; no obstante, trataremos de explicar en este On Line, los principios básicos involucrados con este mecanismo de protección contra la corrosión de estructuras metálicas.

1. CELDA DE CORROSIÓN

La corrosión es un proceso electroquímico relacionado con el flujo de electrones e iones.  La pérdida de metal (corrosión) ocurre en el ánodo.  En el cátodo no se pierde metal (el cátodo está protegido).

La corrosión electroquímica se relaciona con la transferencia de electrones a través de las interfases metal/electrolito.  La corrosión tiene lugar dentro de una celda  (o pila) de corrosión, que consiste en cuatro partes, como se ilustra en la figura 1.

figura 1

Figura 1. Representación de una celda de corrosión básica.

  • Ánodo (A): lugar donde ocurre la reacción de oxidación, normalmente es el metal que se corroe.

  • Cátodo (C): lugar donde ocurre la reacción de reducción, puede ser otro metal, o parte del mismo que se corroe.

  • Electrolito (solución que contiene los compuestos químicos disueltos, que se disocian para formar iones)

  • Paso metálico (conductor eléctrico): lugar a través del cual la corriente eléctrica producida por oxidación y reducción circula.

2. FUERZA IMPULSORA DE LA CORROSIÓN

La corrosión es un proceso en el cual una corriente eléctrica circula desde una superficie metálica, el ánodo, hacia un electrolito, y desde éste a una segunda superficie metálica, el cátodo.  Ahora la pregunta es: ¿Qué hace que circule la corriente?

Por principios básicos de electricidad se sabe que la corriente circulará de un punto a otro si existe una diferencia de potencial (voltaje) entre estos.  Esta diferencia de potencial puede presentarse por reacciones naturales o reacciones producidas por corrientes parasitas (corrientes eléctricas no deseadas).  Para que la corriente circule en una celda de corrosión, tiene que haber una diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo.

3. VELOCIDAD DE CORROSIÓN

La ley de Faraday relaciona el peso del metal perdido en una celda de corrosión, con el tiempo y con la corriente.  La ley está expresada por la siguiente fórmula:

            Wt = K x I x T  [kg]

Donde:

Wt = peso de metal perdido, kg

K = velocidad de consumo (equivalente electroquímica), kg/Amp-año

I = corriente, en Amp

T = tiempo en años

En la tabla 1 se muestra los valores de “K” (en kg/A-año) para algunos  metales.

Tabla 1. Velocidad de consumo (K) para varios metales (1)

La ley de Faraday es útil para estimar la pérdida de material de un metal, si se conoce el amperaje que descarga, durante un periodo de tiempo.  Igualmente, para estimar la vida útil de los ánodos de protección catódica.

4. CAUSAS DE LA CORROSIÓN EN ESTRUCTURAS INMERSAS EN UN ELECTROLITO

En la mayoría de las situaciones, la corrosión pude ser divida en dos tipos: por reacción espontánea o por reacción ante la presencia de corrientes parásitas.  La corrosión natural o espontánea se debe a la acción localizada de “celdas de corrosión” sobre la superficie de la estructura.  Estas celdas se originan por las diferencias de potencial causadas por factores como irregularidades en la superficie, cáscara de laminación, concentraciones de oxigeno, diferencias en el electrolito alrededor de la estructura, entre otros.  Las reacciones originadas en corrientes parásitas ocurren cuando una fuente de corriente, externa a la estructura, provoca corrosión en la misma.

Corrosión espontánea: metales distintos (corrosión galvánica). 

El mismo metal puede ser la fuente para que se presente un voltaje impulsor de una celda de corrosión.  Una diferencia de potencial puede deberse a las diferencias en los niveles naturales de energía de los diferentes metales o a variaciones de composición en la aleación.

En la naturaleza, muchos de los metales se encuentran en forma de compuestos químicos llamados piritas.  Otros están en forma de óxidos Para transformar las piritas y los óxidos en metales refinados se llevan a cabo procesos –mecánicos, químicos y eléctricos-.  Más allá del proceso en sí, durante la transformación el metal absorbe energía.  La cantidad de energía requerida por un metal durante el proceso de refinación determina su potencial o grado de actividad.  El potencial es relativamente alto para metales como el magnesio, aluminio y hierro, y relativamente bajo para metales como el cobre y la plata.

La serie galvánica, tabla 2, es una forma útil de ordenar los metales según su actividad o potencial.  Los potenciales son aproximados, ya que varían según el medio, y están referidos a un electrodo de referencia de plata/cloruro de plata (Ag-AgCl) y cobre/sulfato de cobre (Cu-CuSO4).  Este último se utiliza generalmente en agua dulce y estructuras enterradas, el primero, en agua de mar.

Tabla 2.  Serie galvánica práctica

Cuando se conectan dos metales diferentes, se genera un voltaje entre ellos.  El metal más activo (más cercano al extremo anódico) será el ánodo de la celda.

El ejemplo típico de celda galvánica es la batería de una linterna, que se muestra en la figura 2.  La cual consiste en una cubierta de zinc que contiene un electrolito y una barra de carbón.  Según la tabla 2, la diferencia de potencial entre los dos metales es aproximadamente de 1.4 V, y el zinc es el ánodo y el carbón el cátodo.

Figura 2.  Batería, ejemplo de celda galvánica.

5. PROTECCIÓN CATÓDICA

En teoría, la protección catódica implica reducir a cero la diferencia de potencial entre ánodos y cátodos localizados sobre una superficie metálica (figura 3), reduciendo igualmente a cero la corriente de corrosión.  Esto se puede lograr generando una corriente que ingrese a la estructura desde un ánodo externo, polarizando los sitios catódicos en dirección electronegativa.  A medida que los potenciales de las zonas catódicas se polarizan acercándose a los de las zonas anódicas, se reduce la corriente de corrosión.  Cuando los potenciales de todas las zonas catódicas alcanzan el potencial a circuito abierto de la zona anódica más activa, desaparece la diferencia de potencial entre ánodos y cátodos localizados y se detiene la corrosión.

En realidad, la protección catódica no elimina la corrosión.  Lo que hace es transferirla de la estructura a proteger, a un ánodo(s) de protección catódica.  Así, la estructura se convierte en el cátodo de una celda de corrosión artificial.  La corrosión del metal se detiene una vez que la corriente de protección catódica iguala o excede la corriente de corrosión.

En la figura 3 se esquematiza una estructura protegida mediante un ánodo de sacrificio, en la cual la corriente de protección catódica abandona el ánodo de protección catódica, ingresa al electrolito y pasa en forma de iones a través del electrolito hasta la superficie metálica de la estructura.  En el punto donde esta corriente abandona el ánodo de protección catódica, tiene lugar una reacción anódica.  En el punto donde esta misma corriente ingresa a la superficie protegida, tiene lugar una reacción catódica.  Luego la corriente circula hacia la conexión metálica y regresa al ánodo

Figura 3.  Esquema de estructura protegida mediante un ánodo de sacrificio.

La protección catódica reduce o elimina la corrosión haciendo, de la estructura objeto de protección, el cátodo mediante una corriente impresa (fuente de poder externa unida a la estructura) o la fijación de un ánodo galvánico (usualmente magnesio, aluminio, o zinc).

COMO TRABAJA LA PROTECCIÓN CATÓDICA

El objetivo de la protección catódica es forzar a la superficie entera a actuar como un cátodo, con corriente entrando al medio ambiente y limitando que la corrosión ocurra.

Como se ve en la figura 3, la corriente directa fluye de las áreas anódicas hacia el suelo, y a través del mismo hacia las áreas catódicas, y regresa por la estructura en sí para completar el circuito. Para un voltaje impulsor dado, (el potencial galvánico entre el ánodo y el cátodo), la cantidad de corriente fluyendo es limitada por factores tales como la resistividad del medio (expresada normalmente como ohm-cm) y el grado de polarización en las áreas anódicas y catódicas.

La corrosión ocurre donde una corriente descargada del metal al electrolito (suelo) en las áreas anódicas. Donde la corriente fluye desde el medio hacia la estructura (áreas catódicas) no hay corrosión.

6. SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA

·         Por Ánodos de Sacrificio

La estructura es protegida conectando eléctricamente a ella piezas de un metal activo (tabla 2), tal como zinc o magnesio, y estas a su vez haciendo contacto con el medio corrosivo. De esta forma se consigue que los ánodos galvánicos se corroan preferencialmente, dando protección a la estructura, pues pasa actuar como cátodo.

El potencial entre el ánodo y la estructura susceptible de corrosión, debe ser lo suficientemente grande para superar las celdas de corrosión ánodo-cátodo de la estructura.  El material del ánodo debe tener suficiente “energía eléctrica” (ser más electronegativo, tabla 2) que permita una vida larga razonable empleando una cantidad práctica de material de ánodo.

Los ánodos deben tener buena eficiencia, lo cual quiere decir que un alto porcentaje del contenido de “energía eléctrica” del ánodo debe estar disponible para una salida de corriente de protección catódica útil. El balance de la energía que es consumida en la corrosión del ánodo en sí mismo debe ser muy pequeño.

Los materiales de ánodo son vaciados en variados pesos y formas para cumplir con los requerimientos de diseño de la protección catódica. Datos sobre ánodos disponibles pueden ser obtenidos de los fabricantes o distribuidores de materiales de protección catódica.

·         Por corriente impresa

Una fuente de poder externa de corriente directa es conectada (o impresa) entre la estructura a ser protegida y la cama de ánodos. En este caso los ánodos, ubicados en el electrolito (suelo o agua) no operan como una fuente de energía eléctrica.

La terminal positiva de la fuente de energía debe ser siempre conectada a los ánodos (cama de ánodos), los cuales entonces son forzados a descargar tanta corriente de protección como sea deseada, de esta forma estos se corroerán, figura 4.

En la mayoría de los casos, es deseable usar materiales de ánodo que son consumidos a velocidades relativamente bajas. La cama de ánodos debe ser diseñada para descargar grandes cantidades de corriente y aún así, tener una expectativa de vida larga.

Figura 4.  Esquema de un sistema de protección catódica por corriente impresa.

 

7. DISEÑO DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA

El diseño de un sistema de protección catódica efectivo requiere definición de los siguientes aspectos, entre otros:

  • Requerimientos de normas locales.

  • Aspectos de costo beneficio

  • Características del metal a ser protegido

  • Vida útil proyectada

  • Requerimiento total de corriente

  • Variaciones del medio o electrolito: resistividad, humedad, tipo de terreno o agua.

  • Protección eléctrica

  • Efectos de corrientes parásitas

  • Temperatura

  • Cables eléctricos

  • Relleno del ánodo

  • Recubrimientos protectores

  • Requerimientos de estaciones de monitoreo de potenciales.

  • Localización y características de otras estructuras metálicas, enterradas o sumergidas en las proximidades.

8. CONCLUSIONES

  • La protección catódica es una de las prácticas comprobadas para controlar la corrosión en estructuras que por su propia condición de operación deben trabajar inmersas en un medio electrolítico (suelo o agua).

  • El diseño de una protección catódica efectiva, demanda experiencia, conocimiento y juicio.

  • La protección catódica por ánodos de sacrificio es una de las técnicas más empleadas para minimizar los efectos de la corrosión.

  • Una vez instalada una protección catódica se hace necesario implementar un plan de monitoreo y mantenimiento que permita determinar su operación conforme y el mantenimiento oportuno.

9. FUENTES DE CONSULTA

Manual CP Nivel 1, NACE International, enero de 2010.

Curso de corrosión básica, NACE International, febrero de 2007

 

NOVEDADES

Pantomima PHILIPPE BIZOT




Para celebrar sus treinta años de trayectoria artística, el maestro en Pantomima PHILIPPE BIZOT (Francia), nos trae la obra 30 AÑOS DE SILENCIO, en donde a través de un paseo por todas sus antiguas historias, revisitará rutinas que comenzó a crear desde que tenía 18 años.

"30 ans de silence" en esta obra se realiza un viaje a través del tiempo, las sensaciones y los lugares, en donde se recorre la tristeza, la alegría, el nerviosismo, la timidez, la espontaneidad y los encuentros con la niñez, la adolescencia, la adultez y la vejez, citando situaciones en diferentes locaciones como, "La playa", “el salón clase", "Una Cita de amor", "Un Día de cacería" y "La imagen". Todo esto a través de piezas de pantomima magistralmente interpretadas por Bizot, quien logra causar risas y reflexión a todos los presentes (niños y adultos) con cada uno de sus montajes.

Durante el espectáculo el mimo Bizot involucra al público para que este desarrolle su imaginación a través del lenguaje universal del silencio.

Fecha: sábado 26 de febrero
Lugar: Universidad EAFIT – Auditorio Fundadores
Carrera 49 N° 7 Sur - 50
Hora: 4:00 p.m.
Entrada libre
Informes: 261 9500 Exts. 9656 y 9657
Organiza: EAFIT, Alianza Francesa de Medellín y Embajada de Francia en Colombia


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