ánodos de sacrificio

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA. Corrosión y su Control

PROTECCIÓN CATÓDICA CON ÁNODOS DE SACRIFICIO

Nadia Marcela Barbosa Bustamante, Mauren Rocío Estupiñán Amaya, Diego Alberto Sissa Malpica.

Escuela de Ingeniería Química, Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia.

RESUMEN

Mediante la experiencia de laboratorio, y con ayuda de un electrodo de referencia tipo calomel, se hizo una medición de los potenciales en un sistema galvánico, conformado por una cubeta metálica, la cual contenía una solución de sal al 3% en peso y una serie de ánodos de magnesio unidos a los bordes y esquinas de la cubeta; dicho sistema estaba conectado a un medidor de potencial o voltímetro; para ello, todos los ánodos de sacrifico se conectaron a un punto común de la celda; luego, se hicieron las mediciones del potencial en puntos distribuidos a lo largo y ancho de la cubeta, equidistantes entre sí y lo más cerca posible del borde de la cubeta, aunque sin llegar al contacto con la misma, con el fin de establecer si hay o no protección catódica, teniendo como referencias el valor mínimo de potencial de protección (-850 mV), y la conversión de potencial de electrodo calomel a Cu/CuSO4.

Palabras Clave: electrodo calomel, ánodos de sacrificio, criterios de protección.

INTRODUCCIÓN

Un ánodo de sacrificio, es un ánodo galvánico que se conecta eléctricamente a una estructura y descarga una corriente que fluirá a través del electrolito hasta la estructura que se pretende proteger. El metal que actúa como ánodo se sacrifica a favor del que actúa como cátodo, por eso, a este sistema se le conoce como protección catódica con ánodos de sacrificio.

Fig 1. Esquema de un electrodo tipo calomel.


El Electrodo de Referencia de Hidrógeno (ENH):

Es el electrodo de referencia termodinámico, al que podemos llamar “clásico”, que consiste en una barra o placa de platino platinado de 1 cm2 de área, que funciona como electrodo, el cual se sumerge en una disolución acuosa de iones H+, de actividad fija 1M. El potencial vs. ENH es de +0.241 V. Electrodo de Calomel Saturado (ECS):

Se basa en la reacción entre Hg elemental y Hg (1). Consta de: Hg elemental y una pasta de Hg2Cl2 (Calomel), que funcionan como electrodo, una fase acuosa en contacto con el electrodo, la cual es una disolución saturada de KCl (4M), que actúa como puente salino y en un extremo tiene, una membrana porosa que se encontrara en contacto con la disolución a medir. (pH = 0), a la cual se le burbujea hidrógeno gaseoso puro, a una presión constante de 1 bar.

Todo el sistema se mantiene a una T constante de 298.15 K

Fig 2. Electrodo de calomel.

Para la reacción de reducción:

La Ecuación de Nerst es:

Como la Actividad de los iones aH+ = 1M y la presión parcial pH2 = 1bar

Por convención

El valor absoluto del potencial normal E0 del ENH se estima en 4.44 +/- 0.02 V a 25 °C, pero se convino asignarle un valor de 0.00 V a cualquier temperatura, para tener un patrón de comparación con cualquier otro electrodo.

Retomando de nuevo con nuestro electrodo de referencia:

La reacción Redox que se verifica

Y la Ecuación de Nerst para ésta reacción es:

Al mismo tiempo se verifica el siguiente equilibrio de precipitación:


Por lo que se puede escribir la Ecuación de Nerst que solo depende de [Cl-]

MATERIALES Y PROCEDIMIENTO

1. Cubeta metálica de 60*55*35 cm2. Voltímetro.3. Ánodos de sacrificio de magnesio.4. Solución de NaCl al 3%.5. Electrodo de referencia de calomel.6. Cables eléctricos.7. Palos de madera.

Se preparó un volumen de solución de NaCl al 3% tal que se pudiera llenar la cubeta metálica (115.5 L); Luego, con la ayuda de un electrodo de calomel y con un voltímetro, se midieron los potenciales en puntos equidistantes entre sí a lo largo y ancho de la cubeta sin tener ánodos de sacrificio sumergidos en la celda. Posteriormente, se fueron colocando los ánodos de uno en uno, los cuales se mantenían en las esquinas de la cubeta mediante palos de madera, que servían como apoyos, y se hacían las medidas del potencial en cada punto de la celda para 1, 2, 3 y 4 ánodos presentes, teniendo en cuenta que la solución no debía tocar las conexiones eléctricas de los ánodos, con el fin de evitar un corto circuito y medidas erradas del potencial.

Fig 3. Esquema del montaje experimental hecho en el laboratorio.

RESULTADOS

Potenciales de Protección.

Electrodo de Cu/CuSO4: -0.85 vElectrodo de Ag/AgCl: -0.8V.

Aclarando que los puntos se clasifican así:

Puntos 1, 2, 3, 4, 5, 6 son los que están en la parte posterior de la cubeta metálica.

Puntos 7, 8, 9, 10 los de la parte lateral derecha.

Puntos 11, 12, 13, 14, 15, 16 los que están en el frente.

Puntos 17, 18, 19, 20 los ubicados en la parte lateral izquierda.

El punto donde se ubicó el electrodo de referencia para la medición de datos


corresponde a la mitad del borde superior de la parte posterior de la cubeta metálica.

Conversión entre electrodos de referencia.

Una medida de potencial utilizando cualquier electrodo puede ser convertida a una medida con respecto a otro electrodo de referencia. En la tabla se presentan los valores de los distintos electrodos con respecto al electrodo de hidrogeno.

La protección del acero bajo protección catódica se estima haber alcanzado el nivel adecuado cuando las lecturas del potencial-estructura-suelo medidos con las diferentes celdas consiguen los siguientes valores:

Tabla 1. Valores de potencial de los distintos

electrodos con respecto al hidrógeno.

Calomel a Cu/CuSO4:

Entonces, para realizar la conversión, hay que sumar -0.08V.

Calomel a Ag/AgCl:

Para realizar la conversión habría que sumarle -0.03V.

Electrodo (Semi-celda) Potencial (Voltios)

Estándar de hidrogeno (SHE)

0,000

Cobre-Sulfato de Cobre (CSE)

+0,316

Plata-Cloruro de Plata (SSC)

+0,256

Calomel Saturado (SCE) +0,241Zinc (ZRE) -0,800

Tabla 2. Potenciales de referencia de los distintos

electrodos.

Características de un ánodo de sacrificio

1. Debe tener un potencial de disolución lo suficientemente negativo, para polarizar la estructura de acero (metal que normalmente se protege) a -0.8 V. Sin embargo el potencial no debe de ser excesivamente negativo, ya que eso motivaría un gasto superior, con un innecesario paso de corriente. El potencial práctico de disolución puede estar comprendido entre -0.95 a -1.7 V;

2. Corriente suficientemente elevada, por unidad de peso de material consumido;

3. Buen comportamiento de polarización anódica a través del tiempo;

4. Bajo costo

Los ánodos de Magnesio tienen un alto potencial con respecto al hierro y están libres de pasivación. Están diseñados para obtener el máximo rendimiento posible, en su función de protección catódica. Los ánodos de Magnesio son apropiados para oleoductos, pozos, tanques de almacenamiento de agua, incluso para cualquier estructura que requiera protección catódica temporal. Se utilizan en estructuras


metálicas enterradas en suelo de baja resistividad hasta 3000 ohmio-cm.

CRITERIOS DE PROTECCIÓN

Cuando se aplica protección catódica a una estructura, es extremadamente importante saber si esta se encontrará realmente protegida contra la corrosión en toda su plenitud.

Varios criterios pueden ser adoptados para comprobar que la estructura en mención está exenta de riesgo de corrosión, basados en unos casos en función de la densidad de corriente de protección aplicada y otros en función de los potenciales de protección obtenidos.

No obstante, el criterio más apto y universalmente aceptado es el de potencial mínimo que debe existir entre la estructura y terreno, medición que se realiza con un electrodo de referencia. El criterio de potencial mínimo se basa en los estudios realizados por el Profesor Michael Pourbaix, en 1939, quién estableció a través de un diagrama de potencial de electrodo Vs pH del medio, un potencial mínimo equivalente a -850 mV con relación al electrodo de referencia cobre-sulfato de cobre, observando una zona definida por la inmunidad del acero.

Los criterios de potencial mínimo de protección que se utilizará es de –850 mV respecto al Cu/SO4Cu como mínimo y permitiendo recomendar así mismo, un máximo potencial de protección que pueda estar entre los 1200 mV a -1300 mV, sin permitir valores más negativos, puesto que se corre el riesgo de sobre protección, que afecta de sobre manera al recubrimiento de la pintura, ya que hay riesgos de reacción catódica de reducción de hidrógeno gaseoso que se manifiesta como un ampollamiento en la pintura.


TOMA DE DATOSpotencial [V]

PUNTOS1 electrodo 2 electrodos 3 electrodos 4 electrodos

Calomel Cu/CuSO4 Ag/AgCl Calomel Cu/CuSO4 Ag/AgCl Calomel Cu/CuSO4 Ag/AgCl Calomel Cu/CuSO4 Ag/AgCl1 -1,536 -1,456 -1,506 -0,765 -0,685 -0,735 -0,811 -0,731 -0,781 -1,352 -1,272 -1,3222 -1,533 -1,453 -1,503 -0,695 -0,615 -0,665 -0,711 -0,631 -0,681 -1,28 -1,2 -1,253 -1,533 -1,453 -1,503 -0,675 -0,595 -0,645 -0,65 -0,57 -0,62 -1,222 -1,142 -1,1924 -1,526 -1,446 -1,496 -0,671 -0,591 -0,641 -0,666 -0,586 -0,636 -1,16 -1,08 -1,135 -1,535 -1,455 -1,505 -0,725 -0,645 -0,695 -0,671 -0,591 -0,641 -1,163 -1,083 -1,1336 -1,539 -1,459 -1,509 -0,797 -0,717 -0,767 -0,79 -0,71 -0,76 1,273 1,353 1,3037 -1,528 -1,448 -1,498 -0,711 -0,631 -0,681 -0,698 -0,618 -0,668 -1,239 -1,159 -1,2098 -1,54 -1,46 -1,51 -0,695 -0,615 -0,665 -0,675 -0,595 -0,645 -1,166 -1,086 -1,1369 -1,421 -1,341 -1,391 -0,516 -0,436 -0,486 -0,654 -0,574 -0,624 -1,233 -1,153 -1,203

10 -1,59 -1,51 -1,56 -0,587 -0,507 -0,557 -0,622 -0,542 -0,592 -1,29 -1,21 -1,2611 -1,386 -1,306 -1,356 -0,585 -0,505 -0,555 -0,626 -0,546 -0,596 -1,333 -1,253 -1,30312 -0,954 -0,874 -0,924 -0,606 -0,526 -0,576 -0,646 -0,566 -0,616 -1,186 -1,106 -1,15613 -0,55 -0,47 -0,52 -0,619 -0,539 -0,589 -0,639 -0,559 -0,609 -1,184 -1,104 -1,15414 -0,935 -0,855 -0,905 -0,63 -0,55 -0,6 -0,638 -0,558 -0,608 -1,201 -1,121 -1,17115 -0,918 -0,838 -0,888 -0,624 -0,544 -0,594 -0,654 -0,574 -0,624 -1,17 -1,09 -1,1416 -1,187 -1,107 -1,157 -0,617 -0,537 -0,587 -0,664 -0,584 -0,634 -1,216 -1,136 -1,18617 -0,832 -0,752 -0,802 -0,818 -0,738 -0,788 -0,639 -0,559 -0,609 -1,166 -1,086 -1,13618 -0,799 -0,719 -0,769 -0,929 -0,849 -0,899 0,651 0,731 0,681 -1,323 -1,243 -1,29319 -0,793 -0,713 -0,763 -0,932 -0,852 -0,902 -0,672 -0,592 -0,642 -1,338 -1,258 -1,30820 -0,815 -0,735 -0,785 -0,957 -0,877 -0,927 -0,777 -0,697 -0,747 -1,424 -1,344 -1,394

LOS QUE NO SE ESTÁN PROTEGIENDOTabla 3. Valores de potencial convertidos a los distintos electrodos de referencia. Nótese que los valores resaltados corresponden a cuando no hay protección catódica, dado que estos valores son mayores a -0.85V y -0.8V, para los electrodos Cu/CuSO4 y Ag/AgCl respectivamente.


DISCUSIÓN DE RESULTADOS.

Criterios de Protección.

Cuando se aplica protección catódica a una estructura, es extremadamente importante saber si ésta se encontrará realmente protegida contra la corrosión en toda su plenitud.

Varios criterios pueden ser adoptados para comprobar que la estructura en mención está exenta de riesgo de corrosión, basados en unos casos en función de la densidad de corriente de protección aplicada y otros en función de los potenciales de protección obtenidos. No obstante, el criterio más apto y universalmente aceptado es el de potencial mínimo que debe existir entre la estructura y el medio adyacente, medición que se realiza con un electrodo de referencia. El criterio de potencial mínimo se basa en los estudios realizados por el profesor Michael Pourbaix en 1939, quien estableció a través de un diagrama de potencial de electrodo vs pH del medio, un potencial mínimo de -50 mV con relación al electrodo de referencia de Cobre / Sulfato de Cobre, observando una zona definida por la inmunidad del acero.

Los criterios de potencial mínimo de protección que se utylizaron son de -850 y -800 mV respecto al Cu/CuSO4 y Ag/AgCl respectivamente, permitiendo recomendar así mismo, un potencial máximo de protección de entre -1200 y -1300 mV, sin permitir valores más negativos, puesto que se corre el riesgo de sobreprotección de la estructura y de reacción catódica de reducción de hidrógeno gaseoso.

CONCLUSIONES.

Este sistema usa como fuente de corriente, la originada por la diferencia de potencial entre el material del ánodo y la estructura a proteger, en este caso, la cubeta metálica.

En este tipo de instalación, el material de los ánodos se consume dependiendo de la demanda de corriente, de la protección de la estructura, de la resistividad del electrolito y del material usado como ánodo, durante el proceso de descarga del mismo.

Al calcular la colocación de los ánodos, se deben considerar los factores que influyen en la distribución de corriente sobre la geometría de la estructura.

Según la tabla de datos anexa (Tabla 3), en ciertos casos no se presenta protección. Sin embargo, cuando se trabajó con los 4 ánodos, en todos los puntos donde se hicieron medidas de potencial, se presentaba protección.

Los sistemas de ánodos de sacrificio para protección catódica, se deben aplicar en tanques de pequeñas dimensiones, para garantizar que se presente la protección en cualquier punto, aun teniendo un solo ánodos.

Cuando el terreno donde se va a instalar el tanque de almacenamiento tenga una resistividad de 0 a 5000 ohm/cm, se debe usar un material de relleno,


para el caso de ánodos de magnesio de acuerdo a la NRF-110- PEMEX-2003 y/o zinc conforme a la NRF-047-PEMEX-2002.

OBSERVACIONES.

El electrodo Ag/AgCl, pese a ser muy estable, se usa preferiblemente en instalaciones marinas; más comúnmente utilizados en los análisis de eficiencia de la protección catódica son los electrodos de Cu/CuSO4 debido a su mayor estabilidad y su facilidad de mantenimiento y reposición de solución.

Se deben distribuir ánodos uniformemente alrededor del tanque o bajo el mismo de acuerdo a la figura.

Desde el punto de vista técnico y económico, un ánodo de sacrificio tiene que reunir una serie de propiedades esenciales como: el material debe tener un elevado rendimiento eléctrico en A/Kg*h; el ánodo deberá corroerse uniformemente; el metal será de fácil adquisición y deberá fundirse en

diferentes formas y tamaños; el metal deberá tener un costo razonable, de modo que unido con otras características electroquímicas, se pueda conseguir la protección a un costo razonable por amperio/año.

La media celda de Zinc puro para determinaciones en suelo, siendo condición necesaria para el uso un grado de pureza de 99.99%, es utilizado en agua bajo presiones que podrían causar problemas de contaminación en otras soluciones y también como electrodos fijos.

La media celda Plata-Cloruro de plata de poco uso pese a ser muy estable, se utilizan especialmente en instalaciones marinas. Más comúnmente utilizados en los análisis de eficiencia de la protección catódica son las medias celdas de Cobre-Sulfato de cobre debido a su estabilidad y su facilidad de mantenimiento y reposición de solución.

REFERENCIAS:

NMX-CC-9001-IMNC: 2000 “Sistema de Gestión de Calidad”.NOM-001-SEDE-2005 “Instalaciones eléctricas (utilización)”.NOM-008-SCFI-2002 “Sistema general de unidades de medida”NOM-008-SECRE-1999 “Control de la corrosión exterior en tuberías enterradas y/o sumergidas”.NRF-036-PEMEX-2003 “Clasificación de áreas peligrosas y selección de quipo eléctrico”NRF-047-PEMEX-2002 “Diseño, instalación y mantenimiento de los sistemas de protección catódica”NRF-049-PEMEX-2006 “Inspección de Bienes y Servicios”.


NRF-110-PEMEX-2003 “Evaluación de ánodos galvánicos de sacrificio de magnesio”.NRF-111-PEMEX-2006 “Equipos de Medición y Servicios de Metrología”.NRF-126-PEMEX-2005 “Ánodos de aluminio”.

BIBLIOGRAFÍA

Askeland, Donald R; Pradeep, P. Phule. Ciencia e Ingeniería de los materiales. 4 Ed. Editorial Thomson Learning. México. 2006.

Botia Flórez, José Salomón. Ingeniería de Corrosión. Instituto Nacional del Acero. Bogotá. 1985.

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