proteccion catodica por anodos de sacrificios

24/5/2015 IV.PROTECCINCATDICACONNODOSGALVNICOS

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I V . P R O T E C C I N C A T D I C A C O N N O D O SG A L V N I C O S

SEATRIBUYEalinglsDavylapaternidaddeldescubrimientodelaproteccincatdica,yaque en 1824, para proteger la envoltura de cobre de los buques de guerra britnicosutiliz, por vez primera, bloques de zinc, con lo que se inici lo que se conoce en laactualidadcomoproteccincatdica.Larealizacindelaproteccincatdicaconnodosdesacrificioogalvnicossellevaacabonormalmentecontresmetalescaractersticos:zinc (Zn), magnesio (Mg), aluminio (Al) y sus aleaciones. El zinc ha sido siempre elmaterialandicoclsico,yeselpioneroeneldesarrollode laproteccincatdica.Losnodosdealeacionesdemagnesiohansidotambinutilizadosconxitoprincipalmenteseempleanparalaproteccindeestructurasquerequierendeunapolarizacinrpida,oenmediosagresivosderesistividadelevada,comolossuelos.Elaluminioesunmaterialandicodegranintersporsuscaractersticaselectroqumicas.Sinembargo,laobtencindealeacionesdealuminioadecuadasparanodosdesacrificiohasidomslentaquelasdelosdosotrosmetales,queenlosltimosaoshantenidoungrandesarrollo.

PROPIEDADESDEUNMATERIALANDICO

Tomandoencuenta laserieelectroqumicade losmetales(Cuadro3),unmetal tendrcarcter andico respecto de otro si se encuentra arriba de l en dicha serie. As, porejemplo,elhierroserandicoconrelacinalcobreycatdicorespectoalzinc.Elmetalqueacta comonodo se "sacrifica" (sedisuelve) en favor delmetal queacta comoctodoporestoelsistemaseconocecomoproteccincatdicaconnodosdesacrificio.Loanteriorseilustraenunesquemadelafigura17.

Figura17.Mecanismodeproteccincatdicaconnododesacrificio.

Laspropiedadesquedebereunirunmaterialandicosonlassiguientes:

1)Debetenerunpotencialdedisolucinlosuficientementenegativocomoparapolarizarla estructura de acero (que es el metal que normalmente se protege) a 0.80 V. Sinembargo,elpotencialnodebeserexcesivamentenegativoyaqueesomotivaraungastoinnecesario de corriente. El potencial prctico de disolucin puede estar comprendidoentre0.95Vy1.7V.

2) Cuando el metal acte como nodo debe presentar una tendencia pequea a lapolarizacin,nodebedesarrollarpelculaspasivantesprotectorasydebetenerunelevadosobrepotencialparalaformacindehidrgeno.

3)Elmetaldebetenerunelevadorendimientoelctrico,expresadoenampereshoraporkg.dematerial(Ah/kg.)loqueconstituyesucapacidaddedrenajedecorriente.

4)Ensuprocesodedisolucinandica,lacorrosindeberseruniforme.



5)Elmetaldebeserdefciladquisicinydeberdepodersefundirendiferentesformasytamaos.

6) El metal deber tener un costo razonable, de modo que en conjuncin con lascaractersticaselectroqumicascorrectas,puedalograrseunaproteccinauncostobajoporampereao.

Estasexigenciasponendemanifiestoquesolamenteelzinc,elmagnesioyelaluminioysusrespectivasaleacionespuedenserconsideradascomomaterialesparaserutilizadosprcticamentecomonodosdesacrificio.

CARACTERSTICASELECTROQUMICASDELZINC(Zn),MAGNESIO(Mg)yALUMINIO(Al)

Laspropiedadesquedebenreunirlosmaterialesandicosparaquepuedanserutilizadoscomotalesenlaprctica,remiten,pues,alZn,AlyalMgcomometalesseleccionados.Otrosposiblescandidatos,comolosmetalesalcalinos(Li,Na,K)y losalcalinotrreos(Be, Ca, Sr), quedan descartados porque son demasiado activos (tienen unsobrepotencialdehidrgenopequeoyunpotencialdedisolucinmuyelevado)yotros,comoelcromo(Cr),porquesonfcilmentepasivables.

En una reaccin electroqumica, un metal se disuelve de acuerdo con las leyes deFaraday,lascualesdicenque,prcticamente,elpasodeunacantidaddecorrientede96500 coulombs (nmero de Faraday) disuelve una cantidad equivalente de cualquierelemento qumico. Por tanto, si una cantidad de electricidad deQ coulombs pasa, lacantidaddemetaldisueltoser:

endonde:

p=gramosdemetaldisuelto1=intensidaddelacorrienteenamperes(A)t=tiempoensegundos(s)

P.A.=pesoatmicodelmetalengramos(g)n=valencia del elemento, nmero de electrones que pierde elmetalaldisolverse

Elcociente eselequivalenteelectroqumico.

De estamanera se puede calcular la cantidad demetal consumido para suministrar lacantidaddeterminadadecorriente.Estosdatossepresentanenelcuadro5.

CUADRO5.PropiedadesfsicasyelectroqumicasdelMg,ZnyAl



Estos valores consideran que el metal no sufre autocorrosin, es decir, que se utilizantegramente para producir corriente. Para un rendimiento de corriente del 100%, elaluminioeselquesufrirlaprdidadepesomspequeayaque,segnelcuadro5,eselqueproporcionamayorcapacidadelctrica,oseaelmayornmerodecoulombsporkgdemetaldisuelto.Siguiendoelrazonamiento,parasuministrarunamismaintensidaddecorriente,sobrelabasedeunrendimientoencorrientedel100%(digamos2982Ah),necesitaramos1kgdealuminio,3.64kgdezincy1.35kgdemagnesio,locualimplica,enporcentajes,unrendimientoprcticoparaelzincde27.5%yparaelmagnesiode74%decorrienteaproximadamente.

Ahorabien,losrendimientosprcticosnoalcanzannuncael100%,yaqueenlaprcticaindustrialnosepueden fabricarnodosgalvnicospuros,porque resultan incosteables.Los rendimientos normales estn entre 50% y 90% del rendimiento tericamenteconsiderado.Enelcuadro6sepresentanlosvalorestericosyprcticosdelacapacidadelctricaparalosmetalescomnmenteutilizadoscomonodosdesacrificio.

INTENSIDADDELACORRIENTEANDICA

ApartirdelasleyesdeFaradaysepuedecalcularlaintensidaddecorrientequeescapazdesuministrar1kgdemetalensuactuacinandica.Ahorabien,estevalorestmuylejosdesersignificativo,yaquenotieneencuentaque:

a)laintensidadqueescapazdedarunmetalensuactuacinandicaesfuncindesuformageomtricaesdecir,1kgdemetalenformacilndricasuministrarunaintensidaddecorrientemenorquesitieneformadeestrella.Porotraparte,hayquetenerencuentaquecualquieraqueseasusuperficie,stavadisminuyendoamedidaqueelnodosevadesgastando,locualesunfactorquehabrquetenerencuentaenelclculorealdelaintensidad.

b) el valor obtenido a partir de las leyes de Faraday equivale a un rendimientoelectroqumico del 100%, que como ya se ha indicado, nunca se puede alcanzar en laprctica.Lapilaformadaporelnodogalvnicoysuestructuradarnunvalormximodecorrienteenelinstantedeiniciarsufuncionamiento,elcualdecrecerdespusporlosprocesos de polarizacin que tienen lugar en los electrodos. Por otra parte, laautocorrosinque,enmayoromenorgrado,presentanlostresmetalesempleadoscomonodosgalvnicosharsiemprequesurendimientoseainferioral100%.

Cada tipo de nodo, sumergido o enterrado, tendr una resistencia determinada quedependerdelaresistividaddelmedio(p),desulongitudydelllamadoradioequivalenteyquevienedadaporlafrmula:

endonde:



R=resistenciadelnodo,enohms()L=longitud,encm

p=resistividad del medio, en ohms por cm ( cm)r=radioequivalente,encm.

Elradioequivalenteeselradiodeuncilindrodeigualsuperficietransversalqueelnodo,cuandostesehayaconsumidoen40%.Silaseccindelnodoes:S=r2

despejandorsetiene:

CadanodopodrsuministrarunaintensidaddecorrientequevendrfijadaporlaleydeOhm

I=V/R,

V=en donde: diferencia de potencial entre el potencial de disolucin delmetalandicoenelmedioagresivoyelpotencialdeproteccin(0.80VconrespectoalelectrododereferenciaAg/AgCIparaelacero)

R=resistenciadelnodo,calculadasegnlafrmulaanterior.

VIDADELOSNODOS

Unfactorimportantequesedebetenerencuentaesladuracinovida"delosnodos.Lavidaparacadavalordeintensidaddecorrienteserunafuncindelpesodelnodo(leydeFaraday)ynodelnmerodenodosquesecoloquen.Siseconocelaintensidadqueescapazdesuministrarunnodo(1)ysupeso(kg),teniendoencuentasucapacidaddecorriente calculada tericamente (Cuadro 6) as como su rendimiento y su factor deutilizacin,sepuedecalcularfcilmentesuduracin.Elfactordeutilizacinpuedeserde85%,yaque,cuandounnodosehaconsumido,esteporcentajedebesustituirse,puesel material que queda es insuficiente para mantener un porcentaje adecuado de laintensidaddecorrientequeinicialmenteeracapazdesuministrar.

CUADRO6.Valoreselectroqumicosparaelclculodelavidadelosnodos.

Lavidadelnodopuedecalcularsedelasiguientemanera:

Por ejemplo, la vida de un nodo de Zn de 14 kg de peso, capaz de suministrar unaintensidaddecorrientede0.1A,ser:

capacidaddecorriente(vasecuadro5):

teniendoencuentaqueunaotiene8760horas



rendimiento90%

factorutilizacin85%.Portanto,su

FIJACINDELOSNODOS

Losnodossepuedencolocaren laestructuraaprotegercondistintosprocedimientos,perosiempreconayudadelalmaquelosatraviesaquesueleserredondaydeacero.Losextremosquesobresalendelalmapuedendoblarseligeramenteysoldarse,loqueeselcasoms comn.Ahorabien, seutilizan tambin con frecuencia sistemasdegrapasoesprragososimplementeseatornillan.

Cuandovanenterradosseintroducenenunabolsadetelaysonrodeadosdeunamezcladecomponentesdebajaresistividadqueproporcionanunfuncionamientohomogneodelnodo.Pormediodeuncableseuneelalmadeacerodelnodoconlaestructuraquesequiere proteger (en la figura 18 se presenta el detalle de instalacin de nodos desacrificio).

Figura18.Detalledelainstalacindenodosdesacrificio.

CLCULODELNMERODENODOS

Para conocer el nmero de nodos que se van a necesitar para llevar a efecto laproteccincatdicaesnecesariodeterminarlasuperficieaprotegeryconocerladensidaddecorrientedeproteccin.Elproductodelasuperficieaproteger(enm2)porladensidadde corriente de proteccin (enmA/m2) nos dar la intensidad total necesaria para laproteccincatdica(It).

Por otra parte, como se conoce la intensidad que es capaz de suministrar un nodo,tendremosque

nmerodenodos=

It

I

ALEACIONESPARANODOS

Lacomposicindelosnodostieneunagranimportanciayaqueactadeunaformamuydirecta sobre las cuatro propiedades que permiten apreciar el valor de un metal oaleacinparapoderserutilizadocomonododesacrificio:elpotencialdedisolucin,elrendimientodecorriente,lapolarizabilidadylahomogeneidadenlacorrosindelnodo.Asimismotieneunagran influenciasobre laspropiedadesde losproductosdecorrosinformadosenelnododurantesuactuacin:porosidad,adherencia,dureza,conductividadelctrica,etctera.

Zinc

Entre sus impurezas, las ms perjudiciales son el hierro (Fe) y el plomo (Pb). Se haencontradoqueporcentajesdehierrosuperioresal0.01%causanlaprdidadeactividaddelnodo.Trabajosposterioresrecomiendannosobrepasarel0.002%.

EnaplicacionesdenodosdeZnenaguademar,serarecomendableunlmitemximode 0.0002% de Fe, aunque los nodos de esta composicin no se puedan obtenercomercialmente.

Porotrolado,pareceestarbiendemostradoquelaadicindepequeosporcentajesde



Al,deAlycadmio(Cd),oAlysilicio(Si)alZnesunrecursotilparacontrarrestarlosefectos del Fe como impureza. Ello queda reflejado en la nueva especificacin MILA18001G (vase el cuadro 7), que permite hasta 0.005%de Fe, pero exige, almismotiempo,contenidosdeun0.0250.15%deCdy0.100.50%deAl.

CUADRO7.Composicionesexigidasalosnodosdezinc,segnespecificacionesmilitaresnorteamericanas.

Entre los elementos de aleacin utilizados con resultadosms omenos satisfactorios,para mejorar el comportamiento general de los nodos de sacrificio de Zn, figuranprincipalmenteellitio(Li),elcromo(Cr),elMg,elAlyelCd.Enelcuadro8sepresentanlas calidades de Zn segn la especificacin B646 de la Asociacin Americana para elEnsayodeMateriales(ASTM).

CUADRO8.CalidadesdelzincsegnlaespecificacinASTMB646

Las aleaciones ms utilizadas en la actualidad son las MIL, norteamericanas, cuyacomposicinseindicaenloscuadros7y9.

CUADRO9.Composicincomercialtpicadenodosdezinc(aleacinZnAlCd)

Magnesio

Sehaestudiadounaamplia seriedealeacionesdeMgconvistasa serutilizada como



nodosdesacrificio.Loscuadros10y11renendichasComposiciones.Elrendimientoencorrientedeestasaleacionescrececonladensidaddecorriente.

CUADRO 10. Composiciones de magnesio y sus aleaciones utilizadas comonodosdesacrificio

CUADRO11.Composicincomercialtpicadelosanodosdemagnesio

El Dowmetal H l es la aleacin que ha tenido un comportamiento ms satisfactoriofrentealaguademarporloqueeslaaleacinquemsseutilizaenestemedio.Presentauna buena distribucin del ataque andico y un consumo homogneo del nodo, unasusceptibilidadmuypequeaalapolarizacinconeltiempoyunrendimientodecorrienteentrelosmselevadosquesepuedenobtenerconnodosdeMg(5567%).

LamayoradelosmetalessoncatdicosenrelacinconelMgaspues,lasimpurezasconstituyen un peligro de corrosin espontnea, si se desean obtener buenosrendimientosesnecesariomantenerlasdentrodelmitesbiendeterminados.Elhierroesparticularmenteperjudicialsuinfluenciaespequeaentantonoexcedael0.014%,perosisubehastael0.03%,lacorrosinespontneadelnodosemultiplicaaproximadamente500veces.Elbajorendimientodelaaleacin"cell"(vaseelcuadro10)seatribuyeasuelevadocontenidodeFe(0.03%).Elnquel(Ni)ocasionaefectosdesastrosossobre losnodos deMg. Se ha comprobado que contenidos superiores a 0.001%dan lugar a ladisolucin del nodo por corrosin espontnea y a potenciales de disolucinsensiblementenobles(positivos).

Elcobre(Cu)esotroelementoqueejerceunaaccinnocivaenelMg.SielcontenidodeCu permanece inferior a 0.5%, no se observan cambios notables en el potencial dedisolucindelnodo.Contenidossuperioresdanlugaraunaumentoenelpotencialyauna disminucin de la intensidad de corriente proporcionada por el nodo para laproteccin de una estructura determinada. Cuando el contenido de Cu alcanza 4%, elpotencial de disolucin se vuelve tan positivo que se produce una inversin de lapolaridaddelmagnesio.

LaaccinqueejerceelAlcomoelementodealeacindelmagnesioeseliminargranpartedel Fe durante la preparacin de la aleacin. Las aleaciones MgAl tienen una buenaresistenciaalacorrosinespontnea.

El Zn produce efectos favorables como elemento de aleacin del Mg. Por una partefavorece el consumo homogneo del nodo, especialmente con contenidos entre 2.5 y3.5%yporotra,actadandounmargenmayoralaaccindelasimpurezassepuedeadmitirhastaun0.01%deFesinafectarelrendimiento.



Porltimo,elmanganeso(Mn)ejerce,engeneral,unaaccinfavorable,yaquetiendeaeliminarlosefectosdelFeyacompensarlosdelcobre.

Aluminio

ElAl,apesardeser,porsuscaractersticaselectroqumicas,elmaterialidneoparaserutilizado como nodo de sacrificio, su empleo como tal es relativamente reciente. Laraznestribaenqueestemetal,aleadoono,presentauninconveniente:seleformaunapelcula de xido de aluminio (pasivacin andica) que lo hace muy resistente a lacorrosinyportantoal"sacrificio".

Para la utilizacin del Al como nodo galvnico se han realizado numerosasinvestigacionescuyoobjetivoprincipalhasidolabsquedadeelementosdealeacinquelimitenlapasivacinandicadelmismo.Elcuadro12renelascaractersticasdealgunasdelasaleacionesdeAldesarrolladas.

CUADRO12.Composicincomercialtpicadenodosdealuminio.

El camino seguido en estas investigaciones fue determinar los efectos que un grannmerode elementos, en formaaislada, ejercan sobre el potencial del Al. El Cu yMnhacanmscatdicoelpotencialdelAl.ElZn,Cd,Mgybario(Ba)hacande0.1a0.3Vmsandicodichopotencialyelgalio(Ga),mercurio(Hg),estao(Sn),e indio(In) lohacantambinmsandico(entre0.3y0.9V).

LascombinacionesqueenprincipiotenaunintersespecialfueronlasdeAlHgSnyAlHgBi,cuyocomportamientoesmuysimilar,puestienenpotencialesparecidosa losdelasaleacionesAlHg.

LasaleacionesAlHgZn,AISnZnyAlInZn tienenpotencialesalrededorde 1.05Vyrendimientoselevados.LaaleacinAlHgZnhasidoestudiadasistemticamentesehatenido en cuenta en esto el efecto de la variacin de la composicin, la densidad decorriente y la pureza del Al empleado. Para este tipo de aleacin se alcanzanrendimientos del 95%. Esta aleacin y la de AlInZn son de lasms utilizadas en laactualidad.

LasaleacionesconHgtienenunproblemaespecficoquevale lapenasealaryque,apesardesusimportantescaractersticaselectroqumicas,hacequesuutilizacintiendaasercadavezmsreducida:laaccincontaminantedelHg.

CAMPOS DE APLICACIN DEL ZINC, ALUMINIO, MAGNESIO Y SUS ALEACIONES COMONODOSGALVNICOS

LagranutilizacindelZncomonododesacrificioest justificadaporqueeselprimermetal que se emple como tal. El valor relativamente elevado de su potencial dedisolucinleconfiereunaltorendimientodecorriente.

UnodelosfactoresquemspuedelimitarlautilizacindelZneslaresistividaddelmedioagresivo.Esaconsejablequesuempleoquede limitadoa las resistividades inferioresalos5000ohmscm.Tambinhayquecuidarsuutilizacinenpresenciadeaguasdulcesatemperaturasarribade65C,yaqueenestascondicionespuedeinvertirsupolaridadyhacersecatdicoconrelacinalacero.

Como nodo galvnico o de sacrificio se utiliza masivamente, sobre todo para larealizacin de la proteccin catdica en agua de mar: buques, pantalanes, andenes



martimos, refuerzosmetlicos, diques flotantes, boyas, plataformas de perforacin depetrleo,depsitosdeagua,condensadores,etctera.

El Al, por su situacin en la serie electroqumica, es el metal ms idneo para laproteccincatdica,puesocupaunaposicinintermediaentreelZnyelMg,ytieneunacapacidad elevada de corriente (Cuadros 6 y 13). Debido precisamente a su elevadacapacidaddecorriente,unsolonododeAlpuedeejercer laaccinde tresde igualescaractersticas de Zn, para una misma duracin del nodo. Estas circunstancias hanmotivadoqueestosnodosestn siendomuyutilizadosen construccinnaval,para laproteccin catdicade tanquesde lastrede cargalastre y en los petroleros. Aunque elpreciodelAlesmselevadoqueeldelZn,al tenersequecolocarmenosnodosestadiferencia se compensa y si se considera adems, el ahorro de mano de obra en lacolocacindelosnodosdealuminio,stospuedenllegaraserinclusomseconmicosquelosdeZn.

El campo de aplicacin de los nodos de Al es semejante al de los de Zn y sucomportamientoessatisfactorioenlaproteccincatdicadeestructurassumergidasenaguasdulces.

CUADRO 13. Caractersticas electroqumicas de algunas aleaciones de zinc,aluminioymagnesioutilizadasenlaactualidad

LautilizacindelMgysusaleacionesresultadelvalorbastantebajodesupotencialdedisolucin(Cuadro13),queimplicaunbajorendimientodecorrienteyunadisminucin,aveces bastante grande, del potencial de la estructura a proteger. El magnesio puedeutilizarse para la proteccin catdica de estructuras provistas de un recubrimiento demalacalidadsituadasenunmedioderesistividadelevada(10000ohmscm)talcomoeselcasodeunsueloarenoso.

No son recomendables estos nodos para su utilizacin en agua de mar, ya que suelevadaautocorrosinhacequelosrendimientosseanmuybajosysumejorcampodeaplicacinesenmediosderesistividadelevada(entre5000y20000ohmscm).

Elcuadro14resumeloanteriorypuedeayudarenlaseleccindeunmaterialandicoenfuncindelaresistividaddelmedio.

CUADRO14.nodosdesacrificiorecomendablesenfuncindelaresistividaddelmedio

VENTAJASYLIMITACIONESDELAPROTECCINCATDICACONNODOSGALVNICOS

Las ventajas y desventajas de la proteccin con nodos galvnicos se resumen en el



cuadro15.Esencialmentelaproteccinconnodosdesacrificiopuedeutilizarsecuandoserequieredeunacorrientepequeaylaresistividaddelmedioagresivoesbaja.Puedeusarseademscomocomplementodelaproteccincatdicaconcorrienteimpresa,paraprotegeralgunapartedelaestructuraobienparaeliminarlaposibilidaddecorrosinporcorrientesvagabundas(vaseelcaptuloVII.)

CUADRO15.Ventajasylimitacionesdelaproteccinconnodosgalvnicos

proteccion catodica por anodos de sacrificios

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