Corrosión
Introducción Definición Interacción físico-química entre un metal y su medio ambiente, que ocasiona modificaciones en las propiedades del metal y, a menudo, una degradación de las funciones del metal, del medio o del sistema técnico constituido por ambos.
Introducción Por qué se corroen los metales? Mineral E E uso Transformación CORROSIÓN La fuerza impulsora que hace que los metales se corroan es una consecuencia natural de su inestabilidad en la forma metálica Por lo general, cuanto mayor ha sido la energía gastada en la obtención del metal, tanto mayor será la facilidad para corroerse
Introducción Repercusión de la corrosión Factor seguridad: Fallas por corrosión de equipos o sistemas técnicos con consecuencias de pérdida de vidas humanas Factor conservación: Las fuentes de los metales (minerales), reservas de aguas, etc. Son limitados. Factor económico: Gastos directos e indirectos ocasionados por la corrosión y por los métodos de prevención
Introducción Repercusión de la corrosión Factor económico Costos directos Reemplazo o reparación de estructuras, maquinarias o de componentes corroídos (tuberías, piezas de bombas, fondos de tanques de almacenamiento). Sobredimensionamiento y empleo de medidas de prevención (pinturas, aleaciones especiales, inhibidores, etc.) Capacitación de personal en temas de corrosión. Pago a especialistas para evaluar daños por corrosión.
Introducción Repercusión de la corrosión Factor económico Costos indirectos Paralización de la actividad productiva para efectuar una reparación imprevista (Ejemplo: La reparación de una tubería en el oleoducto puede ocasionar un costo de algunos miles de dólares, pero la paralización para efectuar la reparación representa unos US $ 20 000 /hora). Pérdidas de productos y explosiones provocadas por fugas (combustible, agua, gas, etc.). Pérdida de eficiencia (transferencia de calor) o contaminación del producto.
Proceso de Corrosión Clasificación Naturaleza del medio Mecanismo de corrosión Apariencia del material Húmeda Seca Química Electroquímica General Galvánica Hendidura Picado Erosión Cavitación Selectiva Biológica Intergranular Bajo tensión Fatiga
Proceso de Corrosión Clasificación Naturaleza del medio y mecanismo de corrosión Corrosión húmeda o de mecanismo electroquímico: Se da en presencia de humedad. El 80% de los casos de corrosión reportados pertenecen a este tipo. Corrosión seca, oxidación directa o corrosión química. No existe película de humedad, es decir se da en un ambiente seco (altas temperaturas).
Corrosión Electroquímica Requisitos básicos Electrolito (A veces) Electrodos Ánodo Cátodo Paso de electrones
Corrosión Electroquímica Requisitos básicos Electrolito El agua conduce la corriente Iones de hidrógeno positivos Iones negativo hidróxilo
Corrosión Electroquímica Requisitos básicos Electrodos Agua Ánodo Electrolito Cátodo
Corrosión Electroquímica Requisitos básicos Paso de electrones - + corriente Los electrones fluyen del ánodo al cátodo Ánodo (corrosión) Electrolito (Agua) Cátodo (protegido)
Corrosión Electroquímica Fuerza Electromotriz (FEM) Es imposible medir potencial absoluto de una semicelda Se hace por comparación con semipila de electrodo de hidrógeno V1 V2 Zn Pt Cu Pt H 2 H 2
Corrosión Electroquímica Fuerza Electromotriz (FEM) SERIE ELECTROMOTRIZ Reacción en Equilibrio E H (volts) Au +2 + 2e = Au + 1.7 1/2 O 2 + 2H + + 2e = H 2 O + 1.23 Pt +2 + 2e = Pt + 1.2 Ag +1 + 1e = Ag + 0.80 Cu +2 + 2e = Cu + 0.34 2H + + 2e = H 2 0.00 (por definición) Ni +2 + 2e = Ni - 0.13 Fe +2 + 2e = Fe - 0.44 Cr +3 + 3e = Cr - 0.70 Zn +2 + 2e = Zn - 0.76 Al +3 + 3e = Al - 1.66
Proceso de Corrosión Comportamiento de los materiales frente al potencial eléctrico
Corrosión Electroquímica Corrosión del hierro Las reacciones de oxidación (corrosión) ocurren en el ánodo _ Flujo de e - _ Flujo de e - _ Flujo de e - 2 _ e ++ 2 e Fe _ Fe ++ OH OH 8 _ e Fe(OH) Fe(OH) Fe(OH) Fe(OH) 2 2 2 2 O 2 H O 2 H O 2 Fe - 2e Fe ++ (iones ferrosos) Fe ++ + 2OH - Fe(OH) 2 4Fe(OH) 2 + 0 2 + 2H 2 O 4Fe(OH) 3 Ionización de hierro por pérdida de 2e - Formación de la forma Inestable: Fe(OH) 2 Fe(OH) 2 se combina con el oxígeno y forma óxido
Corrosión Electroquímica Corrosión del hierro Reacción de reducción (protección) ocurre en el cátodo Flujo de e - + Flujo de e - + Flujo de e - + H H + + e e O 2 H + H + H + H + _ e _ e _ e _ e O 2 H O 2 H O 2 _ e _ e _ e _ e 2H + + 2e H 2 4H + + O 2 + 4e 2H 2 O O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH - Electrones que llegan al cátodo neutralizan algunos Iones hidrógeno
Cátodo Ánodo Corrosión Electroquímica Corrosión del hierro Fe 2e Fe ++ Fe ++ + 2OH - Fe(OH) 2 Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O 4Fe(OH) 3 2H + + 2 electrones H 2 (gas) O 2 (gas) + 2H 2 O + 4 electrones 4OH - (medio alcalino) O 2 (gas) + 4H + + 4 electrones 2H 2 O (medio ácido)
Corrosión Según la Apariencia Corrosión del hierro Hendidura Bajo tensión Picadura Biológica Uniforme Intergranular Localizada Galvánica Cavitación Erosión Cloruros Fatiga
Corrosión Según la Apariencia Corrosión uniforme Es un ataque homogéneo Permite calcular la vida útil Produce un deterioro aceptable. La velocidad de corrosión es función de la naturaleza del metal, humedad, presencia de contaminantes
Corrosión Según la Apariencia Corrosión galvánica Dos metales disímiles se acoplan eléctricamente en un medio electrolítico. Tornillo de latón Metal corroído Alumini o Corrosión en el resquicio de la junta aislante Alumini o Corrosión entre tubo de cobre y soldadura de aleación de cobre
Corrosión Según la Apariencia Corrosión por hendidura Se presenta en espacios confinados o hendiduras que se forman cuando los componentes están en contacto estrecho. La hendidura debe ser muy cerrada, con dimensiones menores a un milímetro. Empaquetaduras, empalmes, pernos... Su mecanismo es similar a la corrosión por picado.
Corrosión Según la Apariencia Corrosión por erosión Se da cuando soluciones con rápido flujo desprenden capas adheridas y depósitos que protegen contra la corrosión Medios de alto flujo o turbulencia bombas, conductos turbinas Son susceptibles los aceros al carbono y aleaciones de Cu y Al Son resistentes: aleaciones de Ni y Ti. Corrosión por erosión en tubería de cobre
Corrosión Según la Apariencia Corrosión por cavitación Presiones estallar metal y los revestimientos protectores. Ocurren a altas velocidades de flujo y cambio brusco en la dirección del mismo. (Flujo turbulento) Cavitación de aleación de niquel de las palas de una bomba expuesta a un medio con ácido clorídrico
Corrosión Según la Apariencia Corrosión por grietas y por tensión Es causada por los cambios en la acidez, agotamiento del oxígeno, iones disueltos y ausencia de un inhibidor. Corrosión bajo tensión de un conjunto de aleación de acero soldados (limitaciones de la soldadura)
Corrosión Según la Apariencia Corrosión selectiva Es la remoción preferencial de uno o más metales de una aleación en un medio corrosivo, tal como la remoción del zinc del bronce (dezincación), lo que conlleva al debilitamiento de los metales y a fallas en las tuberías
Corrosión Según la Apariencia Corrosión por tuberculación Los tubérculos son cúmulos de productos de corrosión y de depósitos que cubren las regiones localizadas de pérdida de metal. Pueden atacar tuberías, lo que trae como consecuencia la disminución del flujo. Corrosión por tuberculos en la superficie de tube de cobre usado para conducir aguas residuales
Corrosión Según la Apariencia Corrosión biológica La actividad metabólica de los microorganismos pueden provocar directa o indirectamente un deterioro del metal por procesos de corrosión. Las consecuencias de esta actividad pueden ser: Producir un ambiente corrosivo Crear celdas de concentración electrolítica en la superficie del metal Modificar la resistencia de las películas superficiales Tener influencia sobre el índice de reacción anódica o catódica Modificar la composición ambiental Reacción de corrosión bacteriana: Fe ++ + SO 4 -- + 4H 2 O 4Fe(OH) 2 + FeS + 2OH -
Corrosión Según la Apariencia Corrosión intragranular Disolución preferencial en los límites de grano Las propiedades físicas y químicas difieren con respecto al resto del material Se presenta en aceros inoxidables, aleaciones de aluminio, de niquel y metales puros.
Corrosión Según la Apariencia Corrosión por fatiga Se presenta a escala microscópica en forma de grietas transcristalinas Acción simultánea de un medio corrosivo específico y esfuerzos alternados y cíclicos Tubos intercambiadores de calor Alabes de turbinas Aceros en vapores con cloruros
Corrosión Según la Apariencia Corrosión por picadura Ocurre en cualquier parte del sistema Fácil de reconocer por la formación de picaduras
Sólido Liquid Gas Corrosión Según la Apariencia Corrosión por picadura Ocurre en cualquier parte del sistema Fase gaseosa-aire oxígeno Fácil de reconocer por la formación de picaduras Fase líquida :oxígeno-agua OH High O 2 + Catodo+ OH e O 2 H H+ H Fe (OH) 3 Fe 3 O 4 Fe(OH) 2 Crater e e e Fe ++ H 2 H 2 tubérculo poroso formado por los O 2 productos de reacción High O H 2 H+ OH + Catodo + + Anodo + Fase sólida
Corrosión Según la Apariencia Corrosión por acción de Cloruros O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH - 2Fe O Fe ++ + 4e - 2Fe O + O 2 + 2H 2 O 2Fe ++ + 4OH - K ( Fe 2 ) ( OH ( O ) 2 ) 4 O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH - Fe ++ Fe +++ + e / 4 4Fe ++ + O 2 + 2H 2 O 4Fe +++ + 4OH - K 4 ( Fe ) ( OH ) 4 ( Fe ) ( O ) 2 4 Fe +++ + 4Cl - FeCl 4 - Formación de complejo muy estable que Consume iones Fe +++ acelerando la disolución del hierro
Factores que Afectan la Corrosión Factores inherentes al medio corrosivo Temperatura Naturaleza del medio (s-l-g) Concentración de oxígeno ph Humedad Contaminantes Acción de microorganismos Corrientes externas Tensiones aplicadas Factores inherentes al material Naturaleza del metal o aleación Presencia de inclusiones en la superficie Homogeneidad de su estructura Tratamientos térmicos Tensiones residuales Grietas o defectos superficiales Incrustaciones de óxidos o poros
Factores que Afectan la Corrosión Concentración de Oxígeno 7.5 Velocidad de corrosión (mm/año) 5.0 2.5 49 C 32 C 9 C 0 0 2 4 6 8 10 Oxígeno (ppm)
Factores que Afectan la Corrosión ph
Factores que Afectan la Corrosión Heterogeneidades del material a) Los metales están constituidos por granos con un ordenamiento diferente. b) La unión de los granos define un borde de grano que es más reactivo que el interior del mismo. c) Los metales poseen impurezas que pueden actuar como partículas catódicas.
Factores que Afectan la Corrosión Heterogeneidades del medio a) Unión solapada Resquicio (corrosión) b) Zonas de contacto entre planchas metálicas amontonadas en un almacén Resquicio (corrosión)
Factores que Afectan la Corrosión Heterogeneidades del medio c) Contacto de una superficie metálica con una partícula inerte (polvo). Resquicio (corrosión) d) Rayaduras sobre la superficie metálica, defectos en la solda-dura. Raya o marca cavidad Grieta
Prevención de la Corrosión Materiales usados en la conducción de agua, sin y con control de la corrosión
Prevención de la Corrosión El tiempo más efectivo para prevenir la corrosión es durante el diseño Factores Condiciones del medio Aspectos físicos (Esfuerzos, soldadura, uso) Métodos de prevención de la corrosión Selección Material Método de prevención adecuado Factor económico
Prevención de la Corrosión Datos de corrosión se derivan de diversas fuentes Diseños previos (plantas o aplicaciones similares) Datos del fabricante Datos en publicaciones Desarrollos especializados Diseño de nuevos equipos y materiales El diseñador debe estar actualizado en las innovaciones que permitan resolver problemas no tratados en el pasado Naturaleza y composición de los materiales Se deben considerar las condiciones extremas que puedan cambiar los materiales. Ej: agentes agresivos como los ácidos.
Prevención de la Corrosión Corrosión General Incrementar el espesor, controlar la composición, conformación de recipientes, drenajes de aguas, evitar arrastre de contaminación por aire, accesos para mantenimiento y reparación, evitar las esquinas. Corrosión Atmosferica Selección de materiales apropiados en el diseño Cambios de ambiente (uso de inhibidores, control de PH, desaireación). Recubrimientos metálicos o pinturas Técnicas electroquímicas: Protección anódica Protección catódica
Prevención de la Corrosión Galvanica: Selección de materiales Efecto de área Precaución con recubrimientos Inhibidores Protección catódica Diseño Aislamiento
Prevención de la Corrosión Erosion Cavitacion: Mitigar turbulencias Ajustar capacidad de bombeo y dimensiones de tubería Evitar cambio de dirección Usar curvas y evitar angulos Usar deflectores (dism velocidad) Evitar soldadura dentro de la tubería
Prevención de la Corrosión Hendidura: Diseño de uniones, soldadura de uniones Evitar acumulación de líquidos Limpieza y remoción periódica Drenaje completo Sustitución de aleación de menor Rcorr (es preferible una tasa predecible a localizada inpredecible)
Prevención de la Corrosión Fatiga: Disminuir los esfuerzos cíclicos Evitar entallas Utilizar encubrimientos de sacrificio(cinc, cadmio sobre acero). Proporcionar suficiente flexibilidad para reducir sobreesfuerzos debido a expansión térmica, vibración, choques y trabajo de la estructura o equipo Utilizar inhibidores de corrosión Seleccionar materiales apropiados Usar chorro de perdigones el cual induce esfuerzos de compresión en la superficie y tiende a reducir la fatiga por corrosión.
Prevención de la Corrosión Biológica: Uso de bactericidas, fungicidas y algicidas los cuales deben ser probados en le laboratorio para determinar las dosis más convenientes a utilizar Selección de materiales resistentes a la corrosión Realizar análisis bacteriológicos Origen del agua y uso previsto Naturaleza de las instalaciones
Prevención de la Corrosión Protección mediante recubrimientos: R. Orgánicos: recubrimientos y revestimientos R. Inorgánicos: esmaltado, cementado R. Conversión: química (cromatizado) y electroquímica (anodizado) R. Metálicos: químicos, electroquímicos, inmersión en caliente, metalizado, difusión, etc.
Prevención de la Corrosión Protección catódica:
Corrosión en el Hormigón Armado La corrosión del acero en el hormigón es un proceso electroquímico que pueden producirse por dos vias: Por la colocación de materiales de diferentes diferente naturaleza electroquímica en el hormigón Por variaciones en las concentraciones de iones disueltos
Corrosión en el Hormigón Armado Protección de la armadura con la capa pasiva Condición necesaria: ph
Corrosión en el Hormigón Armado Factores que afectan la corrosión de las armaduras ph de la disolución en los poros del hormigón Concentración de iones cloruros y hidroxilo Profundidad de carbonatación Difusión y retención de cloruros Humedad / ciclos humedad y secado Diferencia de potencial Aceleración de la corrosión Carbonatación Ataque por cloruros
Corrosión en el Hormigón Armado Carbonatación El Ca(OH) 2, con contribución secundaria de los álcalis disueltos en el agua de los poros, da al hormigón un ph entre 12 y 13. La carbonatación consisten en la precipitación del carbonato de cálcio de acuerdo con las reacciones abajo que reducen el ph a 9 y comprometen la capa pasiva de la armadura. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 2H 2 CO 3 + Ca(OH) 2 Ca(HCO 3 ) 2 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 2CaCO 3 + 2H 2 O
Corrosión en el Hormigón Armado Ataque por cloruros Los iones de cloruros (Cl - ) son altamente nocivos al hormigón armado, afectándolo mediante tres mecanismos Reducción del ph Incluso con ph del orden de 12, los iones Cl - pueden atravesar la capa pasiva alrededor de las armaduras y causar corrosión por picadura Aumenta el poder de conducción eléctrica de los iones Fe ++ por el agua presente en los poros del hormigón, acelerando la corrosión
Corrosión en el Hormigón Armado Ataque por cloruros Fuentes de contaminación Ambiente marino Ambiente industrial Sales de deshielo Aditivos aceleradores de fraguado Reacciones de oxidación Fe +++ + 3 Cl - Fe Cl 3 Fe Cl 3 + 3OH - Fe(OH 3 ) + 3 Cl -
Corrosión en el Hormigón Armado Camada Passivadora CO 2 Cl - Camada Passivadora CO 2 Cl - Corrosão Camada carbonatada ou contaminada
Corrosión en el Hormigón Armado Corrosión por acción de Cloruros Ataque a piezas de hormigón armado en ambientes marinos
Corrosión en el Hormigón Armado Corrosión por carbonatación
Corrosión en el Hormigón Armado Prevención Uso de tipo de cemento y dosificaciones adecuados Máxima compactación y buenas condiciones de cura Limitación de abertura de fisuras Protección de la pieza frente a ciclos de humedad y secado (pinturas) Mínimo empleo de aditivos o materiales que puedan contener cloruros Uso de inibidores de corrosión (NaNO3, KCr3, fosfatos, silicatos, etc.)