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RICARDO RAMREZFAC. ING. GEO. MIN. MET. GEOG.

I. INTRODUCCIN

Corrosin es la destruccin de un cuerposlido causada por un ataque no provocado, denaturaleza qumica o electroqumica que se iniciaen la superficie [1, 2].

Esta es la definicin ms generalmenteaceptada, originaria del Reichanschuss frMetallschutz. En cualquier caso, la corrosines un proceso destructivo en lo que a ingenie-ra se refiere, y representa una enorme perdi-da econmica.

Teniendo en cuenta la Serie Electroqumicade los metales, un metal tendr carcter andicocon relacin a otro, si se encuentra por encima de

l en esta serie. As, por ejemplo, el fierro serandico respecto al cobre y catdico respecto alzinc (Vase Tabla N. 1).

El metal que acta como nodo se sacrifica afavor del que acta de ctodo, por eso a este sis-tema se le conoce como proteccin catdica pornodo de sacrificio. Aunque la mayora de losnodos se fabrican por colada o por gravedad, al-gunos nodos se fabrican por colada continua oextrusin. El mtodo de colada produce la apa-riencia y estructura fsica del nodo y, por tanto,su comercializacin y desempeo. Desde el puntode vista del desempeo, el nodo debe ser cola-do para que el metal solidifique sin segregacio-nes de constituyentes de aleacin. Tampoco no

PROTECCIN CATDICA-DISEO DE NODOS DE SACRIFICIO

Samuel Rosario Francia*

RESUMEN

La proteccin catdica consiste en obligar a la estructura a funcionar como un ctodo en una celda decorrosin, mediante la manipulacin y/o modificacin de factores electroqumicos. Un nodo galvnico, tam-bin llamado nodo de sacrificio, si se conecta elctricamente a una estructura sumergida descargar unacorriente que fluir a travs del electrolito hasta la estructura que se pretende proteger. Para cumplir con esteobjetivo, los nodos deben cumplir con ciertas caractersticas de peso, dimensiones, forma geomtrica. Estetrabajo pretende conducir al ingeniero de diseo de sistemas de proteccin catdica con nodos de sacrificioa obtener el nodo adecuado mediante un mtodo simple.

Palabras clave: Proteccin catdica, nodo de sacrificio.

CATHODIC PROTECTION-DESIGN OF SACRIFICIAL ANODES

ABSTRACT

Cathodic protection consists in forcing a structure to work as a cathode in a corrosion cell, through themanipulation and/or modification of electrochemical factors. A galvanic anode, also called sacrificial anode, ifis electrically connected to a submerged structure, will discharge a current that will flow through the electrolyteto the structure that we intend to be protected. To accomplish this goal the anodes should have certaincharacteristics of weight, dimensions and geometric shape. This article intends to guide the cathodic protectionsystems design engineer to obtain the appropriate anode through a simple method.

Keywords: Cathodic protection, sacrificial anode.

* Departamento Acadmico de Ingeniera Metalrgica, Facultad de Ingeniera Geolgica, Minera, Metalrgica y Geogrfica-Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima-Per. E-mail: srosariof@unmsm.edu.pe

Revista del Instituto de Investigacin FIGMMGVol 7, N. 13, 37-44 (2004) Universidad Nacional Mayor de San MarcosISSN: 1561-0888 (impreso) / 1628-8097 (electrnico)

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PROTECCIN CATDICA - DISEO DE NODOS DE SACRIFICIO

debe tener inclusiones de materia extraa,sopladuras ni rechupes. Si esto ltimo ocurre, en-tonces aumentar el riesgo de que el nodo tiendaa pasivarse o desintegrarse fsicamente. La figuraN. 1 muestra como se realiza la corrosin.

Figura N. 1. Corrosin y mecanismo de la corrosin.

Iones en Potencial Iones en Potencial

solucin (voltios) solucin (voltios)

Li+ - 3022 Co++ - 0,29

Rb+ - 2924 Ni++ - 0,22

K+ - 2925 Sn++ - 0,136

Ca++ - 2,87 Pb++ - 0,129

Na+ - 2715 H+ 0,000

Mg++ - 1866 Bi+++ + 0,226

Al+++ - 1,67 Cu++ + 0,344

Zn++ - 0,762 Te++++ + 0,558

Cr++ - 0,71 Hg++ + 0,798

Fe++ - 0,441 Ag+ + 0,799

Cd++ - 0,397 Pt++ + 1,2

Ti+ - 0,336 Au+++ + 1,12

II. CARACTERSTICAS FUNDAMENTALES DELOS NODOS DE SACRIFICIO [3]

Desde el punto de vista tcnico y econmico,un nodo tiene que reunir una serie de propieda-des esenciales como las siguientes:

Tener un potencial de disolucin lo suficiente-mente negativo para polarizar la estructura (enel caso del acero a -0,8 V).

Tabla N. I. Serie electroqumica de los metales(Electrodo de referencia el de hidrgeno normal).

Debe presentar una tendencia pequea a la po-larizacin, es decir, no debe desarrollar pelcu-las pasivantes u obstructoras con los productosde corrosin y tener una fuerte sobretensinde hidrgeno.

El material debe tener un elevado rendimientoelctrico en A/h kg.

El nodo deber corroerse uniformemente.

El metal ser de fcil adquisicin y deber po-der fundirse en diferentes formas y tamaos.

El metal deber tener un costo razonable, demodo que unido con otras caractersticaselectroqumicas se pueda conseguir la protec-cin a un costo razonable por amperio/ao.

III. ALEACIONES PARA NODOS DESACRIFICIO

La composicin qumica de los nodos desacrificio incide en el comportamiento de ellos yparticularmente sobre las propiedades que lascaracterizan:

Potencial de disolucin. Rendimiento de corriente. Polarizacin. Homogeneidad de la corrosin andica.

Asimismo, la composicin qumica ejerce in-fluencia sobre las propiedades del producto decorrosin como:

Porosidad. Adherencia. Dureza. Conductividad elctrica.

Fenmeno andico: Ed1 ' Ec1 + ne-Fenmeno catdico: Ec2 + ne- ' Ed2

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SAMUEL ROSARIO FRANCIAFAC. ING. GEO. MIN. MET. GEOG.

3.1. Composicin qumica de los nodos desacrificio [4, 5]

La norma A.S.T.M.- B6-46 y la especificacinnorteamericana U.S. Mil-A 18001 H definen la com-posicin para nodos de aleacin de zinc, magnesioy aluminio. Tabla N. 2 (Vase Anexo 1).

IV. DISEO DE NODOS DE SACRIFICIO

Es necesario decidir sobre el tamao de losnodos que darn la corriente elctrica requerida.Muchos fabricantes publican la corriente elctricade su gama de productos estndar a una determi-nada resistividad del agua que normalmente es de25 a 30 Ohm-cm, pero muchas veces es necesariodisear nodos para aplicaciones especficas y tam-bin puede requerirse la utilizacin de los nodosen aguas con otra resistividad. Por tanto, se nece-sita calcular la corriente individual.

El diseo de nodos de sacrificio para prote-ger estructuras, estructuras sumergidas, as comosubmarinos y barcos requiere el conocimiento dela resistencia ohmica de stos, aplicando la Ley deOhm, estimando la corriente de salida y evaluandoel nmero de nodos requerido en la fase de dise-o y ms tarde, verificando si los nodos instala-dos son los ms adecuados. Las frmulas de re-sistencia usadas en proteccin catdica y de ma-yor uso se detallan en la Tabla N. 3.

Generalmente la ecuacin modificada deDwight es la ms usada para el nodo tipo barra onodos delgados (de seccin transversal rectan-gular o trapezoidal), libremente suspendidos o se-parados de la plataforma, sin embargo se puedeaplicar para nodos montados apoyados al mismonivel de la superficie a proteger. La ecuacin deMcCoy fue expuesta para determinar la resisten-cia del nodo basado en la superficie expuesta ysin considerar la forma geomtrica. Se recomien-da para nodos tipo brazalete, tambin se aplicaen nodos montados al mismo nivel de la superfi-cie a proteger. La ecuacin de Waldron y Petersonse usa para nodos rectangulares y planos conrespaldo de madera, brazalete seccionado sobrelnea de tubos y estructuras. La frmula de Lloydsha sido propuesta para el tipo de nodo de placadelgada expuesta por un solo lado, aunque puedeaplicarse a brazaletes y montados al mismo nivelde la superficie a proteger.

4.1. Clculo de la resistencia

De la ecuacin de Dwight, la resistencia deun nodo de forma cilndrica en un electrolito esigual a la resistividad especfica del electrolito y aalgunos factores relacionados con la formageomtrica del nodo.

Tabla N. 2. Frmulas de resistencia de mayor uso en la proteccin catdica en estructuras sumergidas.

Nombre Frmula

Modificada de Dwight

McCoy

Waldron y Peterson

LLoyds

R = . Ln 4 L . - 1 2 L a

= Resistividad especfica del agua de mar (ohm-cm). L = Longitud del nodo (cm). a = Radio efectivo medio del nodo (A = rea de la seccin transversal / (cm). A = rea de la superficie expuesta del nodo (cm2). S = Media aritmtica de la longitud y ancho del nodo (cm).

R = . 2 S

R = . 0,58 A0,727.

R = 0,315 ..0,315 ..0,315 ..0,315 ..0,315 ..

A

R = K . ( Ln 4L . -1 ) R = . ( Ln 4L . 1) L a 2L a

(1)

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PROTECCIN CATDICA - DISEO DE NODOS DE SACRIFICIO

Con las ecuaciones de Dwight y Ohm tene-mos la ecuacin 4:

Ia = E . Ia = E . 0,0627 . m ( Ln 4L . 1 ) 0,0627 m ( Ln 4L . 1 ) L a a

Donde:

R = Resistencia nodo-electrolito (Ohm).

r = Resistividad del electrolito (Ohm-cm).

K = 1/2p (0,159 si L y a estn en cm; 0,0627 si Ly a estn en pulgadas).

L = Longitud del nodo.

a = Radio equivalente del nodo. Para otras for-mas diferentes al cilindro.

a = C/2, donde C, es el permetro de la seccintransversal. As, para una seccin transver-sal de 10 x 10 pulgadas; C= 40 y a = 40/2= 6,37

Para determinar la corriente de salida de unnodo se emplea la ley de Ohm I = E / R.

Algunos criterios para determinar la resisten-cia de nodos para proteccin catdica en estruc-turas sumergidas como la resistividad, clorinidaddel agua de mar se presentan en las tablas N.o 4 y5 (Material Perfomance, mayo de 1983).

La ecuacin de Dwight es vlida para nodosde zinc y aluminio cuando 4L/R e 16; para nodos

Tabla N. 3. Resistividad del agua de mar en diferentes partes del mundo.

Lugar Resistividad

( ) Temperatura Densidad de corriente tpica

para diseo Ohm-cm C mA / m2 mA / ft2

Golfo de Mxico 20 22 54 65 5,0 6,0 Costa oeste U.S. 24 15 76 106 7,0 10 Mar del norte 26 33 0 12 86 216 8,0 20 Golfo Prsico 15 30 54 86 5,0 8,0 Indonesia 19 24 54 65 5,0 6,0 Per Costa Sur 24 18 54 65 5,0 6,0

Tabla N. 4. Valores de resistividad en funcin de la temperatura y clorinidad.

Clorinidad Temperatura C

p.p.m. 0 5 10 15 20 25 19 35,1 30,4 26,7 23,7 21,3 19,2 20 33,5 29,0 25,5 22,7 20,3 18,3

R = K. [Ln ( 2 L.) 1] L a

(2)

Sin embargo, la primera ecuacin es la msempleada.

4.2. Clculo de la corriente de salida

La Tabla N. 2 nos da valores de la cantidadde metal del nodo que se consume, calculado deacuerdo a la Ley de Faraday. sta se expresa as:

Consumida = Velocidad de consumo x tiempo de vidax Intensidad de corriente

M = Vc x x I a. (3)

donde 4 L

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SAMUEL ROSARIO FRANCIAFAC. ING. GEO. MIN. MET. GEOG.

4.3. Clculo del nmero de nodos y suduracin

Para conocer el nmero de nodos que sevan a necesitar para llevar a efecto la proteccincatdica, es fundamental determinar la intensidadtotal de corriente necesaria, la superficie a prote-ger y conocer la densidad de corriente de protec-cin (Tabla N. 5).

Es conveniente, cuando se calcula la superfi-cie de la estructura a proteger, observar si existeen ella posibles zonas de sombra, motivadas porrefuerzos o cualquier otra circunstancia, ya quehay que tener muy en cuenta estas zonas en elmomento de hacer la distribucin de los nodos,de lo contrario estarn sometidas a la accin de lacorrosin. La intensidad total necesaria para pro-tegerla est dada por:

I total = dcorriente x rea a proteger (5)

Debemos tener en cuenta que cuando la es-tructura se encuentra con reas mojadas y fango-sas se calculan separadamente y luego se sumanobtenindose el total de corriente necesaria.

I rea mojada = dcorriente en electrolito x rea mojada a proteger

I rea fangosa = dcorriente en fango x rea fangosa a proteger

Como por la ecuacin (4) tenemos la intensi-dad de corriente que es capaz de suministrar cadanodo, tendremos que:

N nodos = I total / Ia . (6)

Otro factor a tener en cuenta es la vida delos nodos. La vida para cada valor de I seren funcin del peso del nodo y no del nmeroque pudiera ser colocado. As, pues, si conoce-mos la intensidad que es capaz de suministrarun nodo Ia, su peso (kg), teniendo en cuenta sucapacidad de corriente calculada tericamente(Tabla N. 2), as como su rendimiento y su fac-tor de utilizacin, se calcula la vida del nodo. Elfactor de utilizacin Fu puede ser el 85%, ya quecuando un nodo se ha consumido en ese por-centaje debe sustituirse porque el material res-tante es insuficiente para mantener un porcen-taje razonable de la intensidad de corriente queinicialmente era capaz de suministrar. El clculoes el siguiente:

Vida = Corriente x P x x Fu .. (7) Ia .

Corriente = Capacidad de corriente

= Amp. Ao / kg

P = Peso (kg) = rendimientoFu = Factor de utilizacin

Tabla N. 5. Densidades de corriente de proteccin en distintos medios agresivos.

Densidad de corriente Estado superficial Medio agresivo mA / m2 mA / ft2

Acero desnudo Agua de mar Velocidad 0,5 m / s 86-130 8,0-12,0 Acero desnudo Agua de mar velocidad 1 - 15 m / s 150 600 14-56 Acero pintado (epoxi, vinlica, clorocaucho)

Agua de mar 25-35 2,3-2,5

Acero pintado sujeto a roces de fondo

Agua de mar 50-210 5,0-20,0

Acero pintado (aluminio bituminoso)

Agua de mar 35-50 3,25-5,0

Tanque carga lastre petrleo Agua de mar 100 9,0

Tanque carga lastre ligero Agua de mar 170 16

Tanque carga lastre limpio Agua de mar 190 18

Acero desnudo Agua dulce estancada 56 5,2

Acero desnudo Agua dulce en movimiento 56-66 5,2-6,0

Acero desnudo Agua dulce turbulenta/caliente 56-170 5,2-16

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PROTECCIN CATDICA - DISEO DE NODOS DE SACRIFICIO

4.4. Radio de accin del nodo

Cada nodo protege un rea determinada quese determina por la relacin Ia ./ corriente.

r rea de control = Ia ./ corriente.

rea = .r2 r = rea/.

4.5. Mtodos de fijacin

Los nodos se fijan en la estructura a prote-ger por distintos procedimientos, con la ayuda delalma que los atraviesa, tipo platina, varilla o barrade acero que se suelda, o con grapas, esprragoso simplemente atornillados; en este caso la co-rriente calculada disminuir en un 20 25% aproxi-madamente. Su distribucin est en funcin delrea que protege cada nodo, en batera o agru-pados, dependiendo de las condiciones particula-res de la zona. As se forman bateras en la popade un barco, en el quillote y en la pala de timn.

V. CONCLUSIONES

En la actualidad, est universalmente aceptadoque la proteccin catdica es una gua tecnol-gica valiossima para la economa, en la cons-truccin y explotacin de estructuras metlicassumergidas o enterradas.

La proteccin catdica por nodos de sacrificioes uno de los mtodo ms usados para mini-mizar los efectos de la corrosin.

La proteccin catdica no es una ciencia exac-ta; los clculos finales se basan en una densi-dad de corriente que ha demostrado ser la co-rrecta en un rea particular o bajo condicionesespecficas.

Para la seleccin del material del nodo se tie-ne en cuenta la serie electroqumica de losmetales, los cuales tendrn carcter andicocon relacin a otro, si se encuentra por encimade ellos en esta serie.

La composicin qumica tiene una gran impor-tancia en el comportamiento general, actuandomuy directamente en las propiedades que de-terminan su utilizacin como nodo: potencialde disolucin, rendimiento de corriente, polari-zacin y homogeneidad de la corrosin andica.

Decidida cual es la densidad de corriente ade-cuada para la proteccin, es necesario:

Calcular el requerimiento total de corriente. Seleccionar el material ms adecuado para

la aplicacin.

Calcular el peso total de material requeridoy el tamao idneo del nodo para obtenerla vida prevista con la corriente elctrica re-querida.

Decidir sobre el mtodo de fijacin apropiado. Planificar la posicin del nodo para asegu-

rar la proteccin adecuada en todas las reas.

VI. RECOMENDACIONES

No pintar los nodos.

Una vez instalados los nodos deber verificar-se, mediante la toma de potenciales con un elec-trodo de referencia Ag/AgCl, su comportamientoperidicamente durante su tiempo de vida.

Los investigadores de la universidad en estecampo de la ingeniera deben trabajar en coor-dinacin con las empresas que requieren estetipo de servicio para garantizar la seleccin yeficiencia del sistema.

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SAMUEL ROSARIO FRANCIAFAC. ING. GEO. MIN. MET. GEOG.

ANEXO - 1

Tabla 2. Propiedades de los nodos de sacrificio.

nodo de zinc nodo de nodo de aluminio

Magnesio

Propiedad MIL-A 18001-H MIL-A 24412-A Tipo A Tipo B Tipo C

Composicin % Cd = 0,025 - 0,15 Cu = 0,1 mx. Si = 0,11 - 0,21 Si = 0,10 mx. 0,10 mx.

Al = 0,10 - 0,50 Al = 5 7 Fe = 0,10 mx. Fe = 0,13 mx. Fe = 0,13 mx.

Fe = 0,005 mx. Si = 0,3 mx. Zn = 0,3 - 0,5 Zn = 3,5 - 5,0 Zn = 4 - 5

Pb = 0,006 mx. Fe = 0,003 mx. Sn = --- Sn = --- Sn = 0,08 - 0,16

Cu = 0,005 mx. Mn = 0,15 mn. Mg = --- Mg = 0,3 - 0,8 Mg = ---

Si = 0,125 mx. Ni = 0,003 mx Hg = 0,02 - 0,05 Hg = --- Hg = ---

Zn = 2 4 In = --- In = 0,02 - 0,05 In = ---

Otros = 0,3 mx. Cu = 0,006 mx. Cu = 0,006 mx. Cu = 0,01 mx.

Otros = 0,02 mx. Otros = 0,02 mx. Otros = 0,02 mx.

Rendimiento 0.95 0.5 0.95 0.9 0.5

Potencial de

trabajo mV

vs Ag / AgCl -1050 -1550 -1050 -1100 -1100

Potencial vs

acero protegido -250 -700 -250 -350 -350

Capacidad

elctrica terica

A-h / kg ( A-h / lb ) 820 (368) 2210 (1100) 2830 (1290) 2700 (1231) variable

Capacidad

elctrica real

A-h / kg ( A-h / lb ) 780 (356) 1100 (503) 2689 (1226) 2430 (1110) variable,

Consumo nodo

kg / A-ao 11,00 8,00 3,00 10,00 5,50

lb / A-ao 23,8 17,5 6,8 21,9 12

Densidad

kg / dm3 7,3 1,77 2,75 2,81 2,81

lb / pulg.3 0,258 0,063 0,098 0,10 0,10

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PROTECCIN CATDICA - DISEO DE NODOS DE SACRIFICIO

Para proteger una estructura sumergida, nodo deseccin cuadrada.

Material-aleacin de zinc U.S. MIL A-18001-H

Consumo terico, segn Faraday 23,61 lb / Amp.Ao

Intensidad del nodo 2,0 Amperios; tiempo de vida1,5 aos.

Peso del nodo: 2 Amp x1,5 aos x 23,61 lb/Amp.Ao = 70,83 = 71 lb.

Para una tubera sumergida, un nodo de L = 48"

Resistividad del medio 25 W-cm

Con la ecuacin de Dwight obtenemos el radio efec-tivo:

2,0 Amp = 0.25 volt x 48 pulgadas0,0627 x 25 (Ln 4 x 48 . - 1)

a

a = 1,52 pulgadas.

rea superficial total del cilindro = 2a (a + L)

As.c = 2 x 1,52 x ( 1,52 + 48 ) = 472,94pulg2

rea superficial del prima de seccin cuadrada =4 b x L + 2 b2.

Como las reas son equivalentes:

472,94 = = 4 b x L + 2 b2.

Resolviendo se tiene: b = 2,4 pulgadas

Peso real = (2,4 x 2,4 x 48) pulg3 x 0,257 lb / pulg3

= 71,06 libras.

ANEXO - 2

.a2

2 aL

a2

a. L a2

b

Como el nodo para sujetarse lleva un alma de acero(barra de 1 pulg. de dimetro), el lado del nodo seincrementa para no disminuir el peso de zinc calcu-lado, de manera que el nuevo lado b ser:

(2, 4 x 2, 4) pulg2 + p/4 (d)2 = (2,4 x 2,4) pulg2 +0,785 pulg2 = 6,545 pulg2.

b= 2, 6 pulgadas,

Como se puede ver, el peso del nodo es bastanteprximo al calculado por la ecuacin de Faraday.Se puede hacer el clculo para otras formasgeomtricas, por ejemplo de seccin trapezoidal.

VII. BIBLIOGRAFA

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2. La proteccin catdica y sus aplicaciones. Co-rrosin y Proteccin, vol. 1, N. 1, 1988.

3. Proteccin Catdica con nodos galvnicos.http://lectura.ilce.edu.mx.

4. Roe Stommen. Anode Resistance. Rev. Ma-terial Perfomance, Marzo, 1985.

5. Wilson Walton Internacional de Venezuela. Co-rrosin y Proteccin Catdica.