corrosion y teoria de la proteccion catodica

CORROSIÓN Y TEORÍA DE

PROTECCIÓN DE CATÓDICA

Universidad Industrial de Santander Escuela de Ingeniería Civil

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Universidad Industrial de Santander

Facultad de Ingenierías Físico - Mecánicas

Escuela de Ingeniería civil

TRADUCCION



Diseño de Estructuras Metálicas

Bucaramanga, 2012


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Universidad Industrial de Santander

Facultad de Ingenierías Físico - Mecánicas

Escuela de Ingeniería civil

Presentado a:

Ingeniero ALVARO REY SOTO

Ing. Civil

Elaborado por estudiantes:

José Eduardo Rivera Laiton 2071876

Raúl Andrés Torres Ballén 2063115

Rodolfo Oswaldo Villamizar Salazar 2071889

Diseño de Estructuras Metálicas

Bucaramanga, 2012


4



por

James B. Bushman, educación física

Ingeniero Principal de la corrosión

Bushman & Associates, Inc

Medina, Ohio, EE.UU.

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INTRODUCCIÓN

La naturaleza ha dotado a cada sustancia metálica con un cierto nivel de energía

física o potencial.


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SERIE DE ENERGÍA GALVÁNICA

Cuando dos metales que tienen diferentes niveles de energía o potenciales están

acoplados entre sí, la corriente fluirá. La dirección del flujo de corriente positiva

será desde el metal con el potencial más negativo a través del suelo a lo que es

más positivo. La corrosión se produce en el punto donde la corriente positiva sale

de la superficie del metal. Una batería de pila seca es un ejemplo de una celda de

corrosión.

Batería común de célula seca

Ferrocarriles y otros tipos de maquinaria a menudo generan corriente continua.

Cuando esta corriente fluye a través del suelo de manera indiscriminada, lo que se

conoce como "perdida" DC. La corriente puede ponerse en contacto y seguir una


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estructura enterrada metálica, como una tubería, pero siempre que sea deja que la

estructura de regrese a su origen, la corrosión se va a producir.

La protección catódica es un método eléctrico de prevención de la corrosión en las

estructuras metálicas que están en electrolitos tales como el suelo o el agua. Ha

tenido una amplia aplicación en tuberías subterráneas, y el uso cada vez más

como el método más eficaz de control de corrosión para muchas otras estructuras

subterráneas y submarinas, tales como cables de plomo, tanques de

almacenamiento de agua, compuertas de las esclusas y diques, pilotes de acero,

tanques de almacenamiento subterráneos, así cubiertas, los cascos de buques y

los interiores, equipos de tratamiento de agua, estantes de basura y las

pantallas. Es un método científico que combate la corrosión por el uso de las

mismas leyes que hacen que el proceso de corrosión.

Mecanismo de la corrosión

Existen dos mecanismos básicos por los cuales los metales en los electrolitos

corroen

Corrosión electrolítica

La corrosión galvánica

La corrosión electrolítica es una consecuencia de la corriente directa de fuentes

externas que entran y luego dejando una estructura metálica en particular por

medio del electrolito. ¿Cuál es la corriente actual de la estructura, esa parte es por

lo general no afecta o se suministra con un cierto grado de protección. Cuando la

corriente sale de la estructura, se produce corrosión. En los trabajos subterráneos,

este tipo de corrosión se da a menudo y los resultados actuales de las corrientes

que entran en el suelo a partir de fuentes de corriente continua, tales como

sistemas de trenes eléctricos o máquinas de CC.

La corrosión galvánica es auto-generada por la actividad

resultante de las diferencias en los niveles de energía o potenciales que se

desarrollan cuando el metal se coloca en un electrolito. Estas diferencias pueden

surgir de la unión de metales diferentes, las variaciones en el electrolito, la falta de

homogeneidad del metal, o una combinación de los anteriores.


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STRAY DIRECTO corrosión por corrientes

Corrosión bimetálica

Actualmente se genera cuando dos metales diferentes están conectados

eléctricamente y se sumerge en un electrolito, uno de los metales se corroe. El

camino de la corriente será del metal que se corroe, a través del electrolito (suelo)

para el metal no se corroe y luego de vuelta a través de la conexión (conductor)

entre los dos metales. El metal que se corroe es aquel en el que la corriente deja

entrar en el electrolito y se llama un ánodo. El metal que recibe la corriente se

llama el cátodo.


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La misma estructura metálica, cuando se coloca en un electrólito (por ejemplo,

suelo) puede desarrollar diferencias en el potencial como resultado de la

composición de metal de grano, las imperfecciones de fresado, arañazos, hilos,

etc, siendo expuestos. Aquellas porciones serán generalmente, anódicas al resto

de la superficie y se corroen.

Corrosión galvánica de un metal de quemadura leve

La corrosión puede ocurrir debido a las diferencias en el electrolito. Estas

diferencias pueden estar en la resistividad del suelo, las concentraciones de

oxígeno, el contenido de humedad y diversas concentraciones de iones. Las

variaciones producir el flujo de corriente desde una ubicación, a través del

electrolito, a otra porción de la estructura metálica mismo.

Corrosión de concentración de oxígeno

La corrosión electrolítica y corrosión galvánica son similares en que la corrosión se

produce siempre en las zonas anódicas. La diferencia esencial entre los dos es

que en el caso de la corrosión electrolítica, el exterior por el hombre corriente

genera la corrosión; en la corrosión galvánica, el proceso natural de corrosión

genera la corriente. También hay una diferencia de polaridad. En una celda

electrolítica, el ánodo es el electrodo positivo; en una celda galvánica, el ánodo es

el electrodo negativo.


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Corrosión causada por la tierra distinta

Se ha establecido que la corriente eléctrica puede generar corrosión, la corrosión,

a su vez puede generar corriente eléctrica. Como se ha indicado por estos

fenómenos, es entonces posible para evitar la corrosión por el uso de corriente

eléctrica. Esto, a continuación, es la base para la protección catódica. Cuando la

corriente continua se aplica con una polaridad que se opone a los mecanismos de

corrosión naturales, y con una magnitud suficiente para polarizar todas las áreas

catódicas hasta el potencial de circuito abierto de las áreas anódicas, la corrosión

es detenida.

Las consideraciones teóricas indican que la base para la protección catódica no es

relativamente difícil de entender. Sin embargo, los diseños prácticos para diversas

aplicaciones pueden variar considerablemente en función del tipo de estructura a

proteger y se encontró con las condiciones.


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Mecanismo de control de la corrosión

La protección catódica es un método eléctrico de prevención de la corrosión de

estructuras metálicas situadas en los electrolitos. En aplicaciones prácticas, las

estructuras más comúnmente provistas de protección están construidas de hierro

o de acero (el acero inoxidable) y los electrolitos son más a menudo suelo y

agua. Otros metales comunes provistos de protección catódica se incluyen,

conducen los cables con cubierta de cobre y tuberías de aluminio, acero

galvanizado y hierro fundido. La protección catódica se ha utilizado también con

éxito en los electrolitos anormales, tales como hormigón, cloruro de calcio y soda

cáustica. Sin embargo, la gran mayoría de los sistemas de protección catódica se

utilizan para evitar la corrosión de estructuras de acero en el suelo y agua. La

protección catódica se ha convertido en un procedimiento estándar para muchas

estructuras tales como tanques de almacenaje subterráneos, tuberías, tanques de

almacenamiento de agua, cascos de buques y los interiores, puertas de seguridad

y las represas, instalaciones de tratamiento de agua, revestimiento de los pozos

de basura, estantes y las pantallas, tableros de puentes y pilotes de acero.

Ya en la Edad del Bronce, se observó que los metales no eran muy estables

cuando se someten a sus ambientes naturales como el suelo y el agua de

mar. Acerca de 1780, un fisiólogo, Luigi Galvani, informó sobre sus experimentos

con arcos metálicos de metales diferentes. Estaba estudiando la estructura

muscular de la rana. Se dio cuenta de que cuando las ranas fueron suspendidas

en un bastidor de hierro por medio de ganchos de cobre, se produjo un temblor en

los músculos de las piernas. Uno de los físicos más destacados de la época,

Alessandro Volta, fue capaz de demostrar que el fenómeno fue causado por la

electricidad producida por la diferencia de los metales en contacto con las

muestras biológicas.

En 1824, Sir Humphry Davy, el contrato para la Royal Navy, descubrió el principio

de la protección catódica para la mitigación de los procesos naturales de la

corrosión. Él estaba buscando un método para evitar la corrosión de los cascos de

madera con revestimiento de cobre de los barcos ingleses. Se adjunta palanquillas

de zinc al cobre y observó que el zinc se corroe para guardar el cobre. Hoy en día,

más de una y más tarde uno de los siglos y medio, los ingenieros de la corrosión

se sigue utilizando este mismo método para prevenir daños a la corrosión

mediante la aplicación de esta protección catódica de ánodos de zinc misma a los

buques de acero de todo el mundo.


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Métodos de aplicación

Existen básicamente dos métodos de aplicación de protección catódica. Uno de

estos métodos hace uso de ánodos que están energizados por una fuente de

alimentación externa de CC. En este tipo de sistema de protección catódica,

ánodos están instalados en el electrolito y están conectados al terminal positivo de

una fuente de alimentación de CC y la estructura que se va a proteger está

conectada al terminal negativo de la fuente. Debido a que la fuente de

alimentación es casi siempre una unidad rectificadora, este tipo de sistema se

refiere a menudo como un rectificador o sistema impresionado tipo actual.

Protección impresa por corriente catódica

El segundo método de protección hace uso de ánodos galvánicos que tienen un

nivel de energía superior o potencial con respecto a la estructura a proteger. Estos

ánodos están hechos de materiales, tales como magnesio o zinc, que son

naturalmente anódica con respecto a las estructuras de acero y están conectados

directamente a estas estructuras.

Sacrificio de protección catódica ánodo


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En la mayoría de los casos, el sistema de tipo rectificador está diseñado para

proporcionar las corrientes relativamente grandes de un número limitado de

ánodos, y el sistema de ánodo tipo galvánico está diseñado para proporcionar las

corrientes relativamente pequeñas de un gran número de ánodos. Cada método

de aplicación de protección catódica tiene características que lo hacen más

aplicable a un problema particular que el otro. Una comparación de estas

características es el siguiente:

COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DE CP

Galvánico Rectificador

No requiere alimentación externa requiere de alimentación externa

Fijo voltaje de conducción de tensión Ajustable voltaje

Fijo actual de corriente Fijo actual de corriente ajustable

Corriente limitada (10 a 50 miliamperios

típico)

ilimitado de corriente (de 10 a 100

amperios típico)

Normalmente se utiliza en menores de

electrolitos de resistividad

se puede utilizar en casi cualquier

entorno de resistividad

Por lo general se usa con estructuras

pequeñas o muy bien recubierto

puede ser utilizado en cualquier

estructura

$ / costo por unidad bajo $ / costo por unidad alto

$ / Sq alto. Pies. De metal proteger $ / Sq bajo. Pies. De metal proteger

mantenimiento bajo Mantenimiento más alto

No causa la corrosión en curso aislada Las corrientes de CC aisladas pueden

ser generado

Independientemente del tipo de sistema utilizado, la corriente fluye desde el ánodo

de protección catódica a través del suelo a la estructura a proteger. Cuando esta

corriente fluye sobre una estructura del electrolito que rodea (suelo), el potencial

de la estructura se hace más negativa. La protección catódica se logra cuando


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este cambio en el potencial es suficiente para detener la corrosión.

Parecería que la protección catódica puede lograrse simplemente por la aplicación

de corriente de magnitud suficiente. A pesar de esta afirmación es cierta, es

engañosamente simple, porque hay diferencias muy grandes en el diseño de

sistemas de protección catódica. Estas diferencias resultan de la infinita variedad

de estructuras que se van a ser protegido y de la gran variedad de entornos en los

que dichas estructuras están situadas. Debido a las grandes diferencias en los

diseños de sistemas necesarios para conseguir una protección, a menudo es

necesario para las estructuras existentes de que cada sistema de ser diseñado

para un lugar dado.

Con el fin de prevenir la corrosión, con protección catódica, la corriente debe fluir

desde el electrolito en la estructura en todos los lugares. Si una parte de la

estructura no recibe corriente, la actividad de corrosión normal continuará en ese

punto. Si alguna de la corriente de protección catódica recogida por la estructura

deja que la estructura a fluir de nuevo en el electrolito, la corrosión se acelera en la

ubicación donde la corriente se descarga. Como un ejemplo, cuando la tubería se

utiliza acoplado mecánicamente, esto puede ser discontinuo de una sección de

tubo a la siguiente. Si un sistema de ánodos tipo galvánico se utiliza para la

protección, puede ser necesario para instalar un ánodo en cada longitud de la

tubería o para unir eléctricamente a través de cada conjunto.

Si un tramo de tubería se descuida, que la longitud no recibirán la protección

catódica y la actividad normal de la corrosión continuará. Cuando un sistema de

tipo rectificador está instalado en un sistema de almacenamiento de tanque

subterráneo, es incluso más importante que el tanque y las líneas ser

eléctricamente continua. Si hay no continuas articulaciones, es posible para la

protección catódica de corriente para dejar la tubería o tanque a fluir alrededor de

la eléctricamente discontinua corrosión conjuntos causando en cada punto donde

la corriente sale de la superficie de la tubería. De manera similar, si la corriente de

protección catódica se aplica a una estructura en un área, es posible que otras

estructuras en la zona de estar expuestos a daños a menos que se tomen

medidas adecuadas. Posibles mediciones se utilizan para determinar si la

exposición perjudicial existe tal. Así como protección se indica cuando el potencial

de una estructura se hace más negativa, callejera corrosión actual se indica

cuando el potencial de una estructura se hace menos negativa como resultado de

la aplicación de la corriente de protección catódica.


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Materiales ánodo

Ánodos galvánicos

Corriente de protección generada por ánodos galvánicos depende de la diferencia

potencial inherente entre los ánodos y la estructura a proteger. Así, si la estructura

está hecha de hierro o acero, cualquier metal que es más activo en la serie de

fuerza electromotriz teóricamente puede ser utilizado como material del ánodo. En

la práctica, los materiales usados generalmente para ánodos galvánicos son el

zinc y magnesio. Aunque el aluminio es también un material que es más activo

que el hierro, que aún no ha demostrado ser un material efectivo del ánodo

galvánico para uso subterráneo a causa de las películas de polarización que se

acumulan en la superficie de aluminio como se corroe, dejar por ello la generación

de protección actual. En los últimos años, algunas aleaciones de aluminio se han

utilizado con éxito en aplicaciones de agua de mar y se está trabajando en las

aleaciones que pueden resultar eficaces en otras aplicaciones.

Cabe señalar que los ánodos galvánicos se consume en el proceso de generación

de corrientes de protección. La tasa de consumo depende de la magnitud de

corriente generada, así como el material del que está hecho el ánodo. Por

ejemplo, la tasa de consumo teórico de zinc es de 23,5 libras. por año amperios y

la de magnesio es de 8,7 libras. al año amperios. En la práctica real, no todo el

metal se consume en la generación de corriente que se consume en ismetal auto-

corrosión. El zinc es de aproximadamente 90% de eficiencia y magnesio es de

aproximadamente 50% de eficiencia. Por lo tanto, los kilos reales consumidas al

año de amperios de corriente de protección son 26 y 17 libras. para el zinc y

magnesio, respectivamente.

En aplicaciones subterráneas, estos ánodos son normalmente rodeado con un

relleno especial. El relleno es generalmente una mezcla de yeso, bentonita y

sulfato de sodio. Este relleno especial sirve para varios propósitos. En primer

lugar, proporciona un entorno uniforme para el ánodo, haciendo así la corrosión

del ánodo uniforme; segundo, el relleno disminuye la resistencia a la tierra del

ánodo al; tercero, que retiene la humedad y por lo tanto mantiene una resistencia

más baja, y cuarto, que actúa como un agente despolarizante.

Impresión de los ánodos de corriente

Cuando un sistema de tipo rectificador se utiliza, la corriente se deriva de una

fuente externa y no se genera por la corrosión de un metal particular como es el

caso de ánodos galvánica. Sin embargo, los materiales utilizados como ánodos se


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corroen energizados. Así, la tubería chatarra y rieles de acero que estaban en un

tiempo usado ampliamente como materiales de ánodo en los sistemas de tipo

rectificador, corroer a razón de 20 libras. al año amperios. Incluso un sistema

rectificador de relativamente pequeño, con una capacidad de sólo 10 amperios, se

consumen 2.000 libras. de acero en 10 años. Por lo tanto, más materiales de

ánodo se buscaron la vida. Los materiales que se utilizan hoy en día son casi

universalmente fundición de grafito de alta fundición de silicio y titanio recubierto

de óxido de metal precioso. En los trabajos subterráneos, rellenos especiales

coque se utilizan generalmente para el propósito de proporcionar un entorno

uniforme alrededor del ánodo y para bajar la resistencia ánodo-a-tierra.

Ejemplos

Estructuras subterráneas recubiertas

La economía a favor de la protección catódica de tuberías de esquí de fondo son

tan abrumadores, sobre todo en el gas de alta presión y las tuberías de aceite, que

prácticamente cada nueva línea de consecuencia, está dotado de protección

catódica casi inmediatamente después de su finalización. El Departamento de

Transporte de ha aprobado una ley federal que requiere que todos los productos

de petróleo, gas y gasoductos ser protegido catódicamente y que el nivel de

protección cumple con las normas y regulaciones designadas.

Nuevas estructuras se proporcionan generalmente con un buen recubrimiento de

alta resistividad que se aplica con las técnicas que dejan cantidades casi

insignificantes de la superficie expuesta a la tierra. Sin embargo, se reconoce que

un recubrimiento, no importa lo bueno o lo bien aplicado, nunca es perfecto.

La protección contra la corrosión proporcionada por el recubrimiento debe ser

complementada con la protección catódica con el fin de lograr la mitigación

completa de la corrosión.

Es importante entender que las estructuras recubiertas de desarrollar fugas dentro

de un período corto de tiempo que no revestir las estructuras. Esto es cierto

incluso aunque la pérdida total de metal sobre una estructura recubierta es

apreciablemente menor que en una estructura desnuda. Toda la actividad de la

corrosión se concentra en las vacaciones o roturas en la capa más que dispersa

uniformemente sobre toda la superficie, acelerando así la velocidad de corrosión

en los lugares de vacaciones.

Afortunadamente para el trabajo de protección, el propietario, revestimiento y

catódica muy bien juntos. Cuando un tanque o tubería está recubierto con uno de


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los materiales de alta calidad y estrechamente controlado técnicas de aplicación

que están disponibles hoy en día, una magnitud relativamente pequeña de

corriente puede proporcionar protección catódica completa para los tanques y

tuberías de su asociado.

Aunque la protección de las tuberías de cross country y parques de tanques

existentes rurales se suele realizar mediante los sistemas de tipo rectificador, el

uso de estos sistemas en áreas congestionadas a menudo es muy difícil debido a

los muchos problemas de interferencias creadas en las estructuras cercanas. Por

lo tanto, en las zonas congestionadas, los sistemas de tipo de ánodo de sacrificio

se utilizan más a menudo.

Un ejemplo fue el de un pozo revestido 10.000 galones del tanque de

almacenamiento subterráneo situado en Detroit, Michigan. Se protegido

ampliamente con un ánodo instalado en un extremo del tanque con una salida de

corriente total de menos de 10 miliamperios de corriente. El hecho de que los

ánodos de sacrificio se han instalado en más de 200.000 y recubiertos con

tanques de almacenamiento subterráneos sin una sola descarga de productos

relacionados con la corrosión es un testimonio de la eficacia de este enfoque.

En muchos casos, el espaciamiento de los ánodos se puede extender a 100 - 500

pies o más de diámetro pequeño en la tubería enterrada, dependiendo de la

calidad del revestimiento y las condiciones ambientales. Como consecuencia,

muchas compañías en años recientes han establecido programas en los que los

ánodos de magnesio están instalados en pre-seleccionados espaciamientos como

la tubería de revestimiento está bien establecida.

Estructuras vacías subterráneas

Los problemas que se presentan en el intento de proporcionar protección catódica

para las estructuras desnudas son mucho más difíciles que los de las estructuras

revestidas. La mayor dificultad se presenta debido a la magnitud mucho mayor de

la corriente requerida. En un tanque de almacenamiento subterráneo bien

revestido, no es inusual para ser capaz de proporcionar protección con infrecuente

tener varias unidades rectificadoras en una granja de tanque gran complejo.

Debido a la exigencia mucho mayor actual, los problemas de interferencia se

pueden crear en otros sistemas cercanos subterráneos de servicios públicos. En

los sistemas que utilizan ánodos de sacrificio, el número de ánodos necesarios es

igualmente mucho mayor en las estructuras desnudas que en recubierta.

Hemos visto un ejemplo en el que un ánodo era suficiente para proporcionar

protección a un tanque de galón recubierto 10.000. Por otro lado, un mal


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recubierto o desnudo 10.000 galones del tanque puede requerir más de 1,5

amperios para lograr el control de la corrosión eficaz. Para un sistema de tuberías

desnudo UST en Ohio que consta de 1.200 metros de tubería de diámetro 3 ", 2

amperios de corriente se requiere para control de la corrosión completa. Si ánodos

de magnesio se seleccionaron para su uso, más de 60 ánodos sería necesario.

Conclusión

La protección catódica es un medio muy adaptable y eficaz de prevención de la

corrosión en una variedad de estructuras subterráneas o bajo el agua. Hay

básicamente dos tipos de sistemas: a saber, la corriente galvánica e

impresionada. Cada uno tiene características que lo hacen más adaptable "en

determinadas circunstancias. Diseños de protección catódica puede variar

considerablemente dependiendo del recubrimiento, la configuración de la

estructura, el medio ambiente y la presencia de estructuras vecinas. Cuando un

sistema está diseñado, instalado y mantenido adecuadamente, la protección

catódica es uno de los métodos más eficaces y económicos para prevenir la

corrosión.

corrosion y teoria de la proteccion catodica

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