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INTRODUCCIÓN
A LA CIENCIA
DE LOS
MATERIALES
FALLA DE CABLE
CONDUCTOR DE
ALUMINIO
INTEGRATES:
CEDANO HUACHILLO, GUSTAVO ALONSO
CUETO FIESTAS, CHRISTIAN ALEXANDER
GALLO ZAPATA, EMILIO ALBERTO
LICERA LA MADRID, EFRAÍN FERNANDO
RIVERA MENDOZA, ANA SOFÍA
SAAVEDRA CASTRO, JOSÉ DAVID
VALDIVIEZO SUPO, KEVIN REYNALDO
VALVERDE GÓMEZ, CLAUDIA XIMENA
VASQUEZ SILVA, JULIO OMID
Tabla de Contenido
1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………
2. OBJETIVOS………………………………………………………………………
2.1. OBJETIVO GENERAL………………………………………………………….
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………………………
3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………………………………
3.1. UBICACIÓN………………………………………………………….
3.2. CONDICIONES DE SERVICIO………………………………………………
3.3. CONDICIONES ATMOSFÉRICA……………………………………………….
4. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA…………………………………………..
4.1. ALUMINIO………………………
4.2. COMPARACIÓN DEL ALUMINIO VS COBRE…………………………..
4.3. ALEACIÓN AAAC 6201-T81
5. HIPÓTESIS DE FALLA
5.1. TIPOS DE CORROSIÓN EVALUADOS……………………………
5.1.1. CORROSIÓN ATMOSFÉRICA…………………………………..
5.1.2. CORROSIÓN POR RENDIJAS…………………………………………
5.1.3. CORROSIÓN POR PITTING
5.1.4. CORROSIÓN GALVÁNICA
5.1.5. CORROSIÓN BAJO TENSIÓN
5.2. PROPUESTAS DE ENSAYOS………..
5.2.1. ANÁLISIS MACROSCÓPICO
5.2.2. ANÁLISIS QUÍMICO
5.2.3. ANÁLISIS METALOGRÁFICO
5.2.4. ENSAYO MECÁNICO
5.2.5. MEDICIÓN DE PIT………………………………………………
6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS…………………………………………………..
6.1. ACCIÓN DE CLORUROS…………………………………………………
6.2. EFECTO DE PITTING……….………………………………………………….
6.3. RESULTADOS DE ENSAYO DE TRACCIÓN……………………………………
6.4. EFECTOS DE LOS RESIDUOS DE CORROSIÓN……………………………
7. RECOMENDACIONES Y ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN…………………….
8. CONCLUSIONES………………………………………………………………….
9. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………
1. INTRODUCCIO N
El fenómeno de la corrosión es un proceso que afecta prácticamente a la mayoría de
materiales fabricados por el hombre. De manera amplia y general, se describe como
el deterioro continuo de las propiedades tecnológicas de un elemento por reacción
con su ambiente, así como el desgaste de la integridad física de estructuras y
objetos. Es por esto que el impacto en la economía debido a los daños ocasionados
es de gran preocupación desde el punto de vista industrial, ya que producen
interrupciones de actividades, mantenimientos, accidentes, y sobre todo, reducción
de eficiencias.
La energía eléctrica es indispensable, no sólo para poner en marcha una serie de
procesos industriales, sino que también lo es en cuanto a transporte, transmisión y
distribución de energía se refiere. Un colapso que como consecuencia suspenda el
servicio eléctrico es una de las consecuencias que puede traer una elección
equivocada del material, o un manejo inapropiado de la corrosión; en el sector
electricidad peruano el problema fundamental de corrosión presente en subestaciones
y líneas de transmisión se debe a la exposición en ambientes de alta contaminación:
industriales, marinos, y rurales. De ésta manera se identifica que la cuestión principal
es la corrosión atmosférica, y por ende, los aspectos bajo los cuales se manifiesta, es
decir, la presencia de cloruros, sulfatos, variables climáticas como la humedad
relativa, y la temperatura propia del ambiente bajo el cual se encuentra la pieza o
material.
En nuestro caso, durante el desarrollo de este trabajo analizaremos las causas que
produjo la caída de un cable de media tensión debido a la corrosión presente en el
ambiente de operación, un conductor de aluminio de tipo AAAC de 50 mm2 que
alimentaba la zona de Enance, Talara. El aluminio y sus aleaciones tienen la
capacidad de formar una capa protectora contra la corrosión que permanece en la
superficie del metal, por esto es coherente afirmar que es resistente a la corrosión en
ambientes agresivos, sin embargo en ciertas atmósferas, los contaminantes hacen
que la resistencia a la corrosión caiga notablemente, estropeando el elemento.
Se empezará por explicar el marco teórico de los tipos de corrosión presentes en la
línea, definiéndolos según los aspectos bajo los cuales se manifiestan en relación al
ambiente en donde el conductor cumplía con su función. Luego se desarrollarán las
características de la aleación de aluminio propiamente dicha, se dará a conocer el
proceso de conformado y las propiedades que resultan a partir de ello, así como las
prestaciones que puede llegar a alcanzar. Posteriormente se expondrán las
propuestas de ensayos y análisis que se realizaron para evaluar la corrosión
existente.
Finalmente se interpretaran y discutirán los resultados de los ensayos realizados, se
expondrán las conclusiones a las que se llegaron luego de las pruebas realizadas, así
como también se propondrá una alternativa de solución para evitar otro accidente de
este tipo.
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GENERAL
Averiguar las causas por las que se dio la rotura del material estudiado y proponer
una posible solución para que no se vuelva a presentar dicho problema.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar una reconstrucción previa de todo el sistema, componente por
componente para, de esta manera, reconocer las zonas afectadas y, así,
poder iniciar con la correspondiente investigación.
Estudiar y analizar las diferentes fallas que pueden haber causado la rotura
del material como: corrosión, oxidación, entre otros. También será
necesario consultar otros factores que influyen en el correcto
funcionamiento del material: ubicación geográfica donde se dio el problema
planteado y lo que respecta a la parte eléctrica del sistema.
Luego de haberse descartado las posibles opciones (basándonos en el
material utilizado, funcionamiento, circunstancias en las que se podrían dar
las fallas), investigar más a fondo cada una de ellas (causas, consecuencias,
mecanismo, cómo se presenta, entre otros) para luego, saber identificarlas,
en un primer momento, de manera macroscópica.
Verificar, haciendo uso de los ensayos mecánicos, las propiedades
mecánicas del material analizado y, por lo tanto, comprobar si
efectivamente se trata de una aleación de aluminio.
Por otra parte, dichos ensayos nos ayudarán a comprobar la existencia de
las fallas previamente investigadas (haciendo un paralelo entre el material
dañado y uno en buen estado). Asimismo, nos permitirán tener una idea
más clara de lo que tendríamos que hacer o recomendar si es que no
queremos que se vuelva a presentar el mismo problema a futuro.
Aprender a tomar conciencia de que, adquirir o contar con un material que
cumple con las especificaciones mínimas requeridas por su respectiva
norma nos permitirá prevenir pérdidas, daños y cualquier otro accidente a
futuro.
Todas estas actividades realizadas enriquecerán nuestros conocimientos
adquiridos acerca del curso y, de esta manera, verificar y complementar
todos aquellos conceptos que hayamos aprendido en cada clase.
3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En el mes de noviembre del año 2009 se produjo la caída de un cable de media
tensión, el conductor de aluminio del tipo AAAC de 50 mm2 que había sido
instalado en remplazo de un conductor de cobre, como parte de la remodelación de
la línea que se realizó en enero del 2006.
El sector que recorre la línea pertenece a la zona de Enace, ubicada en los exteriores
de la provincia de Talara. La zona de Enace se encuentra a unos 15 km de la costa
de Talara, una pequeña localidad caracterizada por ser una zona de viviendas. Si
viajamos por la panamericana norte podremos encontrar éste lugar luego del Parque
Eólico de Talara, antes de la entrada de la cuidad. De Julio a noviembre de 2009 se
registraron 6 casos de líneas caídas en esta zona, ocasionando la interrupción del
servicio de energía eléctrica en todo el alimentador A1303 proveniente del sistema
eléctrico de Malcas.
La rotura del conductor ocurre al extremo de la grapa de anclaje tipo pistola y el
preforme instalado en el conductor (ver esquema). La caída de la línea se dio cinco
veces en los armados tipo anclaje y una vez en un aislador pin (conductor doblado
en la cabeza del aislador pin como anclaje).
4. DESCRIPCIO N DEL SISTEMA
Cuando se nos dio las piezas, teníamos entendido que estas antes formaban parte de
un sistema de anclaje de un cable de transmisión eléctrica con un poste de luz. Se
pudo diferencias tres partes de este sistema: dos grapas con el cable aun pasando
por ellas por el sistema de tensionado y un conector tipo cuña con el cable también
aun sujeto a este
FIG 1: Sistema de anclaje al poste
Se puede observar que existe un gran deterioro de material, más adelante se
explicará las razones exactas de este deterioro.
A simple visto no se puede observar bien el sistema ni cómo es que funciona
exactamente, en el siguiente dibujo se muestra cómo es que se vería el sistema
armado y anclado al poste.
FIG 2 Vista de planta del poste.
FIG 3 Vista frontal del poste.
En las imágenes que se presentará a continuación se muestra con detalle cada parte
del sistema con la finalidad de que se pueda entender el cómo es que estaba
posicionado el cable.
FIG 4 Descripción detallada de cada parte del sistema.
Se entiende que esa no era la única forma en que se encontraban los cables pero sus
variantes era muy parecidas a esa.
4.1. ALUMINIO
El aluminio es un metal no ferromagnético ligero, blando pero resistente, de
aspecto blanco plateado, con una alta reflectividad para la luz y el calor. Su
densidad es de 2.699 𝑔 𝑐𝑚3⁄ , aproximadamente un tercio de la del acero o cobre.
Su estructura cristalográfica es cúbico centrado en las caras.
Propiedades Térmicas:
La conductividad térmica del aluminio es de 209 𝑊 𝑚𝐾⁄ y es alrededor del 52.5%
de la del cobre puro, que es de 399 𝑊 𝑚𝐾⁄ .
Propiedades Químicas:
Es muy resistente a la corrosión, tanto en forma de metal puro como cuando forma
aleaciones con el fierro, manganeso y magnesio. Su resistencia química se debe a la
formación de una película de óxido muy delgada, compacta que se adhiere con
firmeza y la cual es insoluble en agua y en muchos otros disolventes. Esta película
protege al metal que está abajo, de otros ataques, aun cuando la capa de óxido,
según se forma en el aire, tiene sólo un espesor de 4 a 5 ∗ 10−6𝑚𝑚.
Características Mecánicas:
Es un material maleable, dúctil En estado puro tiene un límite de resistencia en
tracción de 160-200 N/mm² (160-200 MPa). Todo ello le hace adecuado para la
fabricación de cables eléctricos y láminas delgadas, pero no como elemento
estructural. Para mejorar estas propiedades se alea con otros metales, lo que permite
realizar sobre él operaciones de fundición y forja, así como la extrusión del
material. También de esta forma se utiliza como soldadura.
4.2. COMPARACIÓN DEL ALUMINIO VS COBRE
CARACTERÍSTICAS COBRE ALUMINIO
Resistencia a la tensión (MPa) 344.738 220.632
Resistencia a la tensión para la misma conductividad (MPa) 344.738 344.738
Peso para la misma conductividad 100 54 Sección transversal para la misma conductividad 100 156 Resistencia específica (ohms-cir/mil ft) (20 °C ref) 10.6 18.52
Coeficiente de expansión (por °𝐶𝑥10−6) 16.6 23
Dureza 35HB 15HB
El aluminio es una buena opción para los equipos de distribución eléctrica.
Utilizar conductores de aluminio reduce el peso de los equipos y, por tanto la
carga mecánica a las instalaciones.
Los equipos fabricados con conductores de aluminio normalmente son de menor
costo que los fabricados con cobre.
Las terminales de conexión en el mercado son adecuadas para recibir
conductores de cobre o aluminio.
4.3. ALEACIÓN AAA 6201-T81
4.3.1. Nomenclatura:
Según la nomenclatura desarrollada por Aluminum Association Inc, nuestro aluminio
pertenece a la familia 6xxx: A6201-T81
6 Los principales elementos de aleación son Mg y Si
2 Aleación modificada respecto a la original: Cu
T Tratado térmicamente
81
Tratamiento térmico de solución, trabajado en frío y envejecido
artificialmente. Este tipo de tratamiento se aplica a los productos que están
trabajados en frío con el objetivo de mejorar la dureza después de haber
finalizado este tratamiento, y también para mejorar sustancialmente las
propiedades mecánicas mediante el tratamiento térmico de precipitación.
Los efectos del trabajo en frío se contabilizan en los límites de las
propiedades especificados.
4.3.2. Especificaciones:
ASTM. Alambre, B398. Conductor trenzado, T81 Temple: B399
SAE.J454
UNS.A96201
4.3.3. Composición química:
Este tipo de aleación de aluminio, contiene 0.8% de Mg y 0.7% de Si
aproximadamente, a continuación mostraremos una tabla con los elementos que
conforman esta aleación:
Elementos Porcentaje
Cobre máximo 0.10
Hierro máximo 0.50
Silicio 0.50-0.95
Magnesio 0.6-0.9
Manganeso máximo 0.03
Zinc máximo 0.10
Cromo máximo 0.03
Boro máximo 0.06
Otros elementos individualmente máximo 0.03
Otros elementos totalidad, máximo 0.10
Aluminio El resto
4.3.4. Aplicaciones:
Se usan mayormente para barras de distribución, alambres, para conductores y
accesorios eléctricos de alta resistencia, ya que este tipo posee la mejor combinación
de propiedades conductoras eléctricas y mecánicas, conductividad de 55% IACS
(Norma internacional de cobre recocido).
4.3.5. Propiedades mecánicas:
o Propiedades de tracción típicas T81 Temple:
Resistencia a la tracción (𝜎𝑚) 331𝑀𝑝𝑎/48𝐾𝑠𝑖
Limite elástico (𝜎𝑒) 310𝑀𝑝𝑎/45𝐾𝑠𝑖
Elongación (A%) 6% 𝑖𝑛 (250𝑚𝑚/10 𝑖𝑛)
o Propiedades límites del alambre T81 templado:
Mínima resistencia
a la tracción
(individual)
Mínimo limite
elástico
(promedio)
Elongación
mínima
Diámetro especifico (1/16 a 1/8 in)
315 𝑀𝑃𝑎/46𝑘𝑠𝑖
330𝑀𝑃𝑎/48𝑘𝑠𝑖
3%
(250𝑚𝑚
/10𝑖𝑛)
Diámetro especifico (1/8 a 3/16 in)
305 𝑀𝑃𝑎/44𝑘𝑠𝑖
315 𝑀𝑃𝑎/48𝑘𝑠𝑖
4.3.6. Propiedades térmicas:
o Temperatura en estado líquido= 650°C (1210°F)
o Temperatura en estado sólido= 607°C(1125°F)
o Calor especifico=895 𝐽/𝐾𝑔𝐾 =0.214 𝐵𝑡𝑢/𝑙𝑏°𝐹 (A 20°C/68°F)
o Conductividad térmica: T8 Temple: 205 𝑊/𝑚𝐾 (118 Btu/ft.h.°F) A
25°C/77°F
o Coeficiente de expansión térmica:
Rango de Temperaturas Coeficiente promedio
°𝐶 °𝐹 𝜇𝑚/𝑚𝐾 𝜇𝑖𝑛/𝑖𝑛°𝐹
-50 − 20 -58 − 68 21.6 12.0
20 − 100 68 − 212 23.4 13.0
20 −200 212 − 392 24.3 13.5
20 −300 68 − 572 25.2 14.0
4.3.7. Propiedades eléctricas:
o Conductividad eléctrica: Volumétrico, T81 temple: 54% IACS a 20°C/68°F
o Resistividad eléctrica: T81 temple: 32 𝑛Ω𝑚 a 20°C/68°F
4.3.8. Características de fabricación:
o Temperatura de solución: 510°C/950°F
o Temperatura de envejecimiento: 150°C/302°F manteniendo esta temperatura
aproximadamente por 4 horas
4.3.9. Otras características:
o Densidad: 2.69 𝑀𝑔/𝑚3(0.097𝑙𝑏
𝑖𝑛3) a 20°C/68°F
5. HIPO TESIS DE FALLA
FALTA FLORO
5.1. TIPOS DE CORROSIÓN EVALUADOS
5.1.1. CORROSIÓN ATMOSFÉRICA
El aluminio y sus aleaciones son capaces de formar sobre sus superficies una breve
capa de óxido, la cual protege al metal contra la corrosión. Estas aleaciones, por lo
tanto, son notablemente resistentes a la corrosión en medio de atmósferas agresivas.
Sin embargo, en atmósferas industriales y marinas las cuales contienen sales
corrosivas, la resistencia a la corrosión disminuye y las aleaciones pueden sufrir
algún tipo de corrosión.
La breve capa de óxido antes mencionada se produce cuando el aluminio entra en
contacto con el aire, éste se oxida y se forma espontáneamente una compacta,
delgada y amorfa capa de óxido de aluminio denominada como alúmina (𝐴𝑙2𝑂3),
este óxido esta formado por: una película más compacta próxima al aluminio que
actúa como barrera protectora, y otra película más externa y que posee más
permeabilidad comúnmente puede ser bohemita (𝐴𝑙2𝑂3𝐻2𝑂) o bayerita
(𝐴𝑙2𝑂3𝐻2𝑂) y se caracteriza por que su espesor aumenta según sea la humedad de
la atmósfera.
La corrosión atmosférica del aluminio se manifiesta de 2 diferentes maneras: una
corrosión uniforme con empañamiento y pérdida de brillo de la superficie, y otro
tipo de corrosión localizada donde se observan múltiples picaduras repartidas por
toda la superficie metálica, pero entre ellas existen amplias áreas de material
intacto.
La corrosión uniforme del aluminio se da cuando la capa de óxido es diluida por
ácidos u otros iones reactivos, que dan lugar a la formación de sales solubles, tales
como el 𝐴𝑙2(𝑆𝑂4)3, o sales básicas que se incorporan a la capa de productos de
corrosión, pero el daño principal del aluminio está relacionado con su ataque por
picaduras, la presencia de iones cloruros (𝐶𝑙) − en la atmósfera es el factor más
dañino, estos cloruros se adhieren y penetran en los defectos de la capa de óxido
natural y conducen a la formación de complejos solubles 𝐴𝑙(𝑂𝐻)22𝐶𝑙. La difusión
de las especies solubles lejos de la zona de reacción produce el adelgazamiento de
la capa de óxido y el nacimiento de una picadura.
Algunos experimentos para el uso del aluminio en la aeronáutica comparan
muestras de aleaciones en atmósfera marina (cloruros), industrial (sulfatos) y rural
(polvo) concluyendo que la atmósfera más agresiva para aleaciones de aluminio es
la marina, a excepción de la aleación 3003-1'3 y clad-duraluminio, para las cuales la
atmósfera más agresiva es la industrial.
En atmósferas industriales, el aluminio se encuentra expuesto a iones 𝑆𝑂2, se ha
encontrado que el dióxido de azufre tiene poca afinidad con la superficie del
aluminio. Pero cuando estos materiales tienen una capa de polvo sobre su
superficie, es común la adsorción del 𝑆𝑂2, al reaccionar la nueva capa con el
oxígeno produce iones sulfato 𝑆𝑂4−2, los cuales pueden provocar una aceleración de
la reacción anódica. Según datos bibliográficos la concentración de iones sulfatos es
de 3 a 7% en el polvo de atmósferas industriales.
Según sea la concentración de iones Cl- en las atmosferas marinas se determina el
grado de ataque por picaduras, por ejemplo en las atmósferas marinas puras
(ausencia de SO2) existe un umbral crítico de salinidad atmosférica en torno a los
20 mg Cl- /m2 ·día, que diferencia el comportamiento a la corrosión atmosférica del
aluminio. Por debajo de aquel umbral el aluminio se comporta de modo similar a
como lo hace en atmósferas puras no contaminadas, es decir hay una ausencia de
ataque corrosivo. Sin embargo, por encima de aquel umbral el aluminio
experimenta picado de su superficie, este es el daño que más se puede apreciar
conforme aumenta es la salinidad atmosférica y es verdaderamente perjudicial para
las propiedades mecánicas del material, por otro lado la agresividad de la atmósfera
marina depende de varios factores tales como: dirección del viento, cantidad de
precipitaciones, humedad relativa, etc.
Para analizar los productos de corrosión se debe saber que en el fondo de una
picadura el medio es ácido y el aluminio actúa anódicamente, oxidándose según la
siguiente reacción:
𝐴𝑙 → 𝐴𝑙3+ + 3 𝑒−
Las fronteras de las picaduras actúan como cátodos y en ellas el medio es alcalino,
dando lugar a esta reacción catódica:
1
2 𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 2 𝑒− → 2𝑂𝐻−
Los iones 𝐴𝑙3+, son prácticamente insolubles en agua, estos se combinan con los
iones oxhidrilos procedentes de la disociación del agua, para formar hidróxidos de
aluminio, 𝐴𝑙(𝑂𝐻)3, la reacción es la siguiente:
𝐴𝑙3+ + 3 𝑂𝐻− → 𝐴𝑙(𝑂𝐻)3
El 𝐴𝑙(𝑂𝐻)3 (hidróxido de aluminio) no es soluble en agua y precipita formando
una masa blanca gelatinosa, conocida como alúmina la cual recubre las picaduras
como se puede apreciar en la siguiente figura.
6.
La corrosión del aluminio, aumenta de cargas positivas en el interior de la picadura,
debido a que los electrones migran hacia las áreas catódicas (fronteras de las
picaduras), donde poco a poco se irán consumiendo en la reducción del 𝑂2. La
neutralidad eléctrica se mantiene porque los iones (𝐶𝑙) − migran hacia el interior de
la picadura, causando un aumento de su concentración en ese lugar.
A continuación se muestra una tabla con los productos de corrosión más comunes
que se dan en el aluminio:
PRODUCTOS DE CORROSIÓN DEL
ALUMINIO
FÓRMULA QUÍMICA
OXIDOS
Alúmina
∝ −𝐴𝑙2𝑂3
𝛾 − 𝐴𝑙2𝑂3
Bohemita
𝐴𝑙2𝑂3𝐻2𝑂
Bayerita
∝ −𝐴𝑙(𝑂𝐻)3. 𝐻2𝑂
𝛾 − 𝐴𝑙(𝑂𝐻)3. 𝐻2𝑂
CLORUROS
Cloruro de Aluminio
𝐴𝑙𝐶𝑙3. 6𝐻2𝑂
SULFATOS
Sulfatos básicos
𝐴𝑙%(𝑆𝑂4)𝑦(𝑂𝐻)2
SULFUROS
Sulfuros de Aluminio
𝐴𝑙2𝑆3
5.1.1. CORROSIÓN POR RENDIJA
La corrosión por rendijas es una forma de corrosión localizada comúnmente
asociada con espacios aislados, estos espacios son llamados comúnmente
“rendijas”, también se les conoce por su nombre en inglés “crevices”, su formación
depende de ciertas configuraciones geométricas.
Se conoce también como corrosión por aireación diferencial, las regiones con
diferentes concentraciones de oxígeno se comportan como una cúpula de corrosión.
Las zonas de baja concentración están dentro de la rendija y actúan como ánodos
donde el metal se oxida, esto se debe a que dentro de la rendija aumenta la
concentración de iones positivos y si existe la presencia de halogenuros en el medio
se produce un mayor daño debido a la presencia de iones cloruros (Cl-) en la
atmósfera. En pocas palabras aquellos metales que presentan grietas o rendijas en
las cuales se acumula la humedad y suciedad, las zonas exteriores estarán más
aireadas y las interiores se verán empobrecidas de oxígeno luego de darse la
oxidación, es en este momento es cuando los cloruros penetran la capa del material
y producen picaduras.
ESTADO INICIAL:
ESTADO FINAL:
5.1.2. CORROSIÓN POR PITTING
La corrosión por pitting se presenta en los materiales debido a la
rotura de la película pasiva formada para la protección del material,
en este caso el aluminio. Mientras más expuesta se encuentre el
material en un ambiente corrosivo, se presenta con más fuerza la
presencia de pitting con mayor profundidad y mayor desgaste del
material.
La corrosión en el aluminio se presenta por la materia ajena a este
en su superficie, demostrando que el material fue instalado en un
ambiente muy corrosivo con alto contenido de NaCl.
La materia externa que se adhiere al aluminio como polvo, arena,
sal, etc; de esta manera el conducto se cubre con una masa que se
junta entre los alambres, una masa en la cual al final hay muy poca
grasa pero mucha materia ajena y productos de la corrosión del
aluminio. La masa es higroscópica e impide que el aluminio seque
tras una lluvia. Al secarse la masa se rompe formando fisuras que
abren paso al aluminio puro. De esta manera hay tanto corrosión
general como local en forma de puntos (pitting). La corr osión local
de los alambres crece tanto que al final los alambres se ponen
frágiles y se quiebran.
En la figura se muestra, los residuos de corrosión que se han
localizado en la superficie habiendo destruido la capa oxido de
aluminio e impidiendo la regeneración de esta y atacando
directamente al metal. La visualización de los pitts en este aluminio
no se observan con gran detalle pero se logra visualizar puntos muy
pequeños con profundidades diminutas, la cual es la característica
del pitting, pudiendo ser verticales, elipticales, etc.
5.1.3. CORROSIÓN GALVÁNICA
a) Acero galvanizado: Aquel que se obtiene luego de un proceso de recubrimiento
de varias capas de la aleación de hierro y zinc. Por lo general, se trata de tres capas
de la aleación, las que se denominan: “gamma”, “delta” y “zeta”. Finalmente se
aplica una última y cuarta capa externa que sólo contiene zinc, a la que se le llama
“eta”, y es la que le da aquel típico aspecto gris brillante al acero.
El recubrimiento galvanizado le otorga al acero una excelente protección, así como
también propiedades fabulosas entre las que se encuentra su gran resistencia a la
abrasión, así como también a la corrosión (en especial, la atmosférica).
Esta última característica, produce un gran efecto, el denominado “protección
catódica o de sacrificio”, en el que el zinc se comporta como la parte anódica de la
corrosión. De este modo, mientras haya recubrimiento de zinc, entonces el acero
estará protegido.
FUENTE: http://deepseatrading.com/producto/cable-de-acero-galvanizado-
camaronero.
b) Compatibilidad Aluminio – Acero Galvanizado: La teoría predice que el
aluminio y el acero galvanizado son compatibles. El zinc (recubrimiento del acero)
y el aluminio están adyacentes el uno junto al otro en la escala de galvanizado. La
presencia del aluminio acoplado con el acero galvanizado incrementa el rango de
corrosión del zinc solo del 0.1% al 1%. Este incremento es insignificante, y por lo
tanto, el contacto entre el aluminio y el acero galvanizado no acelera
significativamente la corrosión de ninguno de los dos materiales.
La normativa ha incorporado estos datos mencionados. Por ejemplo, la Asociación
del Aluminio, en su código estructural, establece que no hay necesidad de separar o
pintar las superficies de acero galvanizado que estén en contacto con el aluminio.
Incluso, muchas estructuras y componentes en el último medio siglo confirman ello.
El revestimiento de aluminio es frecuentemente utilizado en estructuras de acero
galvanizado y muy a menudo se utilizan tornillos con recubrimiento de zinc. Y
también un número incontable de conectores de sistemas de conexión en servicio en
todo el mundo han sido fabricados uniendo tubos de acero galvanizado exitosa y
permanentemente.
c) Corrosión Galvánica (Aluminio y Acero Galvanizado): Como se sabe, la
corrosión galvánica es un proceso electroquímico en el que un metal se corroe
cuando está en contacto eléctrico con un metal diferente (más noble) y ambos
metales se encuentran dentro de un electrolito o medio húmedo.
Para el caso del par aluminio – acero galvanizado, por teoría, se dice que ambos son
completamente compatibles (por lo que, el riesgo de corrosión de alguno de ellos,
cuando se encuentran en contacto, es muy bajo).
Si se llegara a producir la corrosión galvánica, será el material más noble (el que
logrará sufrir la corrosión, es decir, el aluminio) el que actuaría como cátodo, ya
que tiene un potencial electroquímico de -1.68V, mientras el acero galvanizado será
el ánodo, que presenta un potencial electroquímico de -0.08V. Como se recuerda,
mientras haya un determinado recubrimiento de zinc en la pieza, será el acero
galvanizado el que se mantendrá protegido.
FUENTE: http://ampliacionfq.blogspot.com/2013/05/corrosion.html
d) Otros Tipos de Corrosión que Potencian el Proceso Corrosivo: Teniendo como
punto de partida el caso planteado, dicho proceso corrosivo se potencia, ya que nos
encontramos dentro de un medio húmedo que facilitará la corrosión atmosférica y,
por lo tanto, la galvánica.
5.1.4. CORROSIÓN BAJO TENSIÓN
La corrosión bajo tensiones (SCC) es un proceso en el que la
combinación de carga mecánica, ambiente corrosivo y temperaturas
elevadas pueden llevar al deterioro . Surgen delgadas grietas, que
pueden extenderse bastante rápido, llegando al fallo de alguna parte
e incluso de la estructura completa. Las grietas son difícilmente
visibles en la superficie y difíciles de detectar con un examen
visual, por eso se espera ver en la metalografía este tipo de grietas
alrededor de toda la sección transversal.
Este complejo tipo de corrosión es el efecto de la combinación de la
composición de la aleación, la carga mecánica, el ambiente, el
diseño, la temperatura y el tiempo. Los factores adicionales como
los depósitos, el tipo de superficie y los ciclos térmicos también
pueden contribuir a este proceso.
Se espera que en las partes cerca a la grapa (las que están bajo
tensión) tengan este tipo de corrosión aunque el aluminio e s un
material que no es susceptible a esta corrosión por ende se duda que
no esté presente este tipo de corrosión
5.2. PROPUESTA DE ENSAYO
5.2.1. ANÁLISIS MACROSCÓPICO
Esta es una pieza de acero galvánico el cual estaba unido al cable de aluminio en las
grapas, se puede apreciar que en las rendijas donde se acoplaban los pernos presentan una
decoloración que puede indicar corrosión galvánica además del cloruro que presenta por
la corrosión ambiental.
Estas piezas son las grapas y los pernos por donde pasaba el cable de aluminio, se puede
apreciar en la base la decoloración que puede inducir a corrosión galvánica, además de
los cloruros por corrosión ambiental.
En el cable de aluminio se aprecian cloruros y además pequeños hoyos que podrían
suponer corrosión por pitting.
Estos pernos iban acoplados a la grapa y al cable de aluminio, se notan muy claramente
los cloruros en la parte del enroscamiento.
Se aprecia que en esta parte del sistema, el aluminio se ve afectado por corrosión de tipo
ambiental por los cloruros.
5.2.2. ANÁLISIS QUÍMICO
Se realizó un análisis químico cualitativo de cloruros utilizando nitrato de plata; sulfato (SO4) con cloruro de bario y aluminio (Al) mediante método volumétrico sobre el polvo y óxidos encontrados tanto en el cable como en los conductores y grapas tipos pistola. El análisis revela una elevada presencia de cloruros y no se encuentran sulfatos. Finalmente, se comprueba la hipótesis de presencia de aluminio en los depósitos remanentes.
5.2.3. ANÁLISIS METALOGRÁFICO
5.2.4. ENSAYO MECÁNICO
5.2.5. MEDICIÓN DE PITS
Tenemos que la velocidad de corrosión en MPY se calcula mediante
la siguiente fórmula:
T
hVcorr
*365000
Donde:
h = profundidad de la picadura en pulgadas
T = tiempo en días (2 años = 730 días)
Medida Profundidad
(pulg.)
Velocidad de corrosión
(MPY)
1
2
3
4
5
6
En este caso, la velocidad de corrosión en promedio nos resulta:
MPY. También se cumple lo que se dijo anteriormente, para efectos
de diseño debería considerarse la mayor profundidad, que indica el
mayor efecto corrosivo
6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
6.1. ACCIÓN DE CLORUROS
La presencia de cloruros los cuales al localizarse sobre la superficie de
los alambres de la aleación en diversos puntos a lo largo la línea de
transmisión produce la destrucción de la capa de óxido de aluminio o
alúmina (Al2Cl3) impidiendo así a reconstrucción de la misma y
atacando directamente al metal, deteriorándolo, y generando zonas
críticas en el sistema.
Los cloruros juntos con el polvo y la humedad del ambiente formaran
una masa que l legará a funcionar como un electrolito el cual
presentara una buena conductividad por lo cual la corrosión local de los
alambres va aumentando cada vez en mayor proporción tanto que al
final los alambres llegan a fragilizarse y se produzca la ruptura de los
mismos.
6.2. EFECTO DE PITTING
Las picaduras presentes a lo largo del material, generan un
deterioro del mismo, de tal manera que según sea el tamaño y
forma de la picadura producirá una concentración de tensiones en
cada zona donde se ha producido debido al peso de la línea de
transmisión una mayor o menor pérdida de resistencia del m
6.3. RESULTADOS DE ENSAYO DE TRACCIÓN
Por el ensayo de tracción buscamos verificar si es que los
resultados obtenidos coinciden con los existentes en tablas. De
esta manera, según los resultados, corroboraremos si las
propiedades del material corresponden a la aleación de aluminio
A6201 T81.
Norma ASTM B557
Diámetro
Nominal
Dimensiones [mm.]
Estándar Tamaños menores
12.5 9 6 4
G 1.05.62 09.045 06.030 04.020
D 25.05.12 1.09 1.06 05.04
R 9 8 6 4
A 75 54 36 24
6.4. EFECTOS DE LOS RESIDUOS DE CORROSIÓN
Influencia de los agentes de corrosivos en las propiedades
eléctricas del cable debido al deterioro del material
La aleación de aluminio 6201-T81 utilizada para líneas aéreas de
transmisión según su aplicación: transmisión de corriente presenta.
Según la ley de ohm:
𝐼 =𝑉
𝑅 ..(1)
donde:
I = Intensidad de corriente eléctrica
V = Diferencia de potencial aplicada
R= Resistencia del conductor
Además puede demostrarse también que:
𝑅 = 𝜌𝐿
𝑆 ..(2)
donde:
L= Longitud del conductor
S = Área transversal del conductor
ρ = Resistividad del material
Reemplazando (2) en (1):
𝐼 =𝑉 . 𝑆
𝜌 . 𝐿
Por lo cual, podemos concluir que la sección del conductor es
directamente proporcional a la intensidad de corriente e inversamente
proporcional a la resistencia eléctrica del mismo, por lo tanto, una
disminución de sección tendrá como consecuencia un aumento de la
resistencia eléctrica del material y una disminución de la intensidad de
corriente que pasa por dicho conductor produciendo una deficiencia del
sistema.
7. RECOMENDACIONES Y
ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN
a) Anodizado del Aluminio
El anodizado es un proceso electroquímico el cual consiste en un tratamiento de
superficie capaz de conseguir una capa de óxido de aluminio o alúmina (AI203)
en la superficie del aluminio base por medio de un proceso electrolítico basado
en producir la circulación de corriente continua a través de un electrolito de base
ácida permitiendo así variar el espesor de la capa de óxido de aluminio a
voluntad entre algunas pocas micras hasta 25 ó 30 micras (0.025 o 0.03
milímetros) en el anodizado de protección y hasta 100 micras (0.1 mm) en el
anodizado duro. Este espesor viene regulado por la norma UNE-38010.
Al realizar este proceso se logrará aumentar artificialmente el espesor de la capa
natural de óxido del aluminio (oxidación forzada), obteniendo así una gran
protección contra la corrosión y la abrasión. Las características propias de este
material en cuanto a resistencia y durabilidad, se ven aumentadas
considerablemente mediante este tratamiento de superficie, convirtiéndose de
este modo en el material idóneo para cerramientos en las zonas costeras y
sometidas a duras condiciones climáticas.
b) Engrasado del conductor:
El conductor será instalado en una zona de severa contaminación salina e
industrial, caracterizada por un alto grado de humedad, neblina y carencia de
lluvias y por lo tanto deberá ser engrasado en sus capas internas y externas por
una grasa libre de impurezas, de la mejor calidad.
c) Prevención:
Para prevenir la corrosión del aluminio por exposición a la sal, deberá
inspeccionarse el material periódicamente y repara cualquier daño en el
revestimiento de la superficie tan rápido como se pueda.
d) Reducción de tensiones internas
Reducir las tensiones internas, con el fin de no acelerar más la corrosión, lo cual
significa reducir el porcentaje de reducción final así como el ángulo de la hilera,
si éste fuera el no indicado
e) Agregado de inhibidor
Existen inhibidores que se adicionan a soluciones corrosivas para disminuir sus
efectos, ejemplos, los anticongelantes usados en radiadores de los automóviles.
f) Protección catódica o aislar la pieza del ambiente, cubriéndola de plástico.
8. CONCLUSIONES
El aluminio es un material más complejo en comparación con los aceros, esto es
porque no se puede observar su microestructura por medio de una metalografía
simple, se necesita realizar una metalografía mucho más compleja que resulta difícil
de realizar.
Los alambres de aluminio que fueron utilizados en el sistema, tienen gran cantidad de
elementos anticorrosivos pero debido a un mal mantenimiento de estos se ha
producido la ruptura de todo el alambre, para este tipo de conductores es necesario
utilizar una grasa neutra especial en ambientes de alta contaminación o expuestos a
un ambiente marino.
A pesar de tener un material que se describe como resistente a la corrosión, esta
siempre se presentara ya que no todos los materiales están hechos para un solo medio
de trabajo. Estas condiciones atmosféricas influyen mucho en la velocidad de
corrosión del material. Se deben tomar en cuenta pautas adicionales para la
protección de un material, sea este o no resistente a la corrosión, ya que esta siempre
existirá.
Se pudo verificar que, las respectivas corrosiones que se dieron en el sistema no sólo
afectaron en el comportamiento mecánico del material (que es lo que normalmente se
cree), sino que también en la parte del funcionamiento eléctrico (en la generación de
las llamadas resistencias de contacto, no permitir el mismo paso de corriente, entre
otras).
En teoría, el par aluminio – acero galvanizado, influirá de maneras importante en la
falla de las piezas trabajando en conjunto. Se pudo verificar que efectivamente, se
llegó a dar corrosión galvánica en el sistema (en donde el que se llegó a corroer o
sacrificar fue el aluminio). Además la corrosión en esta zona se intensificó ya que hay
otros parámetros que influyeron en dicho proceso corrosivo, como: la ubicación
geográfica, clima, mal diseño del sistema, fabricación, etc.
Se concluye que el conductor ha fallado por la pérdida de material que ha generado la
corrosión atmosférica y por la agresión de la corrosión localizada (corrosión por
rendijas) que se puede observar en las picaduras que presenta, esto debilitó al
conductor y disminuyó su resistencia a la tracción provocando la caída
posteriormente.
La presencia de Cloruros hace que la atmósfera sea sumamente dañina para el tipo de
aleación de conductor, planteamos como alternativa de solución utilizar un conductor
con recubrimiento de PVC que cumpla con los requerimientos, esto garantizaría una
mayor protección al sistema.
9. BIBLIOGRAFÍA
9.1. LIBROS CONSULTADOS
[1] Frank King. El aluminio y sus aleaciones. Noriega Editores
[2] American Society for Metal. Metal Handbook Ninth Edittion, volume 2.
Properties and selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals.
[3] Franklin Uber Oyola Sánchez. Corrosión en metales expuestos a la atmósfera
en la zona industrial de la ciudad de talara.
[4] W. Hufnagel, Pedro Coca. Manual del aluminio - Los materiales: Oxidación y
corrosión. Técnicas de protección. Asociación Argentina de materiales.
[5] J.A González, E. Escudero, V López, J. Simancas y M. Morcillo. Durabilidad
del aluminio desnudo y anodizado en atmósferas de muy diferentes corrosividades
Aluminio desnudo.
[6] Alejandro Alvarez. La corrosión atmosférica y su relación con el
mantenimiento anticorrosivo en aleaciones de aluminio aeronáutico. Dpto.
Tecnología Industrial Diversidad Simón Bolívar (USB), Roberto Réquíz, Dpto,
Ciencias de los materiales (USB), Joaquín Líra-Olívares, Dpto. Ciencias de los
Materiales (USB).
9.2. FUENTES CONSULTADAS
[7] Acero galvanizado: Características y usos,
http://www.pac.com.ve/index.php?option=com_content&view=article&id=11146:a
cero-galvanizado-caracteristicas-y-usos&catid=64:industria&Itemid=87 [Consulta:
Viernes, 22 de mayo del 2015].
[8] Corrosión en la industria parte II.
http://www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/tiposdecorrosion [Consulta: Viernes, 5 de
junio del 2015].
[9] ANA MELLADO VALERO, Corrosión galvánica entre implantes dentales y
supra estructuras protésicas diseñadas con aleaciones de distinta naturaleza, 2011,
http://www.talladiumes.com/wp-content/uploads/2013/09/corrosion-galvanica.pdf
[Consulta: Martes, 26 de mayo del 2015].
[10] RISE PROPULSION, Corrosión galvánica,
http://www.ricepropulsion.com/esp/TNLS/Corrosion_Galvanica.htm [Consulta:
Domingo, 31 de mayo del 2015].