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Corrosión

Introducción

• Definición

– “Interacción físico-química entre un metal y su medio ambiente, que ocasiona modificaciones en las propiedades del metal y, a menudo, una degradación de las funciones del metal, del medio o del sistema técnico constituido por ambos.”

Introducción

• ¿Por qué se corroen los metales?

Mineral

Transformación

uso

CORROSIÓN

E E

“La fuerza impulsora que hace que los metales se corroan es una

consecuencia natural de su inestabilidad en la forma metálica”

Por lo general, cuanto mayor ha sido la energía gastada en la obtención del metal, tanto mayor será la facilidad para corroerse

Introducción

• Repercusión de la corrosión

– Factor seguridad: Fallas por corrosión de equipos o sistemas técnicos con consecuencias de pérdida de vidas humanas

– Factor conservación: Las fuentes de los metales (minerales), reservas de aguas, etc. Son limitados.

– Factor económico: Gastos directos e indirectos ocasionados por la corrosión y por los métodos de prevención

Introducción


– Factor económico

• Costos directos – Reemplazo o reparación de estructuras, maquinarias o de

componentes corroídos (tuberías, piezas de bombas, fondos de tanques de almacenamiento).

– Sobredimensionamiento y empleo de medidas de prevención (pinturas, aleaciones especiales, inhibidores, etc.)

– Capacitación de personal en temas de corrosión.

– Pago a especialistas para evaluar daños por corrosión.

Introducción



• Costos indirectos – Paralización de la actividad productiva para efectuar una

reparación imprevista (Ejemplo: La reparación de una tubería en el oleoducto puede ocasionar un costo de algunos miles de dólares, pero la paralización para efectuar la reparación representa unos US $ 20 000 /hora).

– Pérdidas de productos y explosiones provocadas por fugas (combustible, agua, gas, etc.).

– Pérdida de eficiencia (transferencia de calor) o contaminación del producto.

Proceso de Corrosión

• Clasificación

Naturaleza del medio

Mecanismo de

corrosión

Apariencia del

material

Química

Electroquímica

•General

•Galvánica

•Hendidura

•Picado

•Erosión

•Cavitación

•Selectiva

•Biológica

•Intergranular

•Bajo tensión

•Fatiga

Húmeda

Seca


• Clasificación

– Naturaleza del medio y mecanismo de corrosión

• Corrosión húmeda o de mecanismo electroquímico: – Se da en presencia de humedad.

– El 80% de los casos de corrosión reportados pertenecen a este tipo.

• Corrosión seca, oxidación directa o corrosión química. – No existe película de humedad, es decir se da en un ambiente

seco (altas temperaturas).

Corrosión Electroquímica

• Requisitos básicos

– Electrolito (A veces)

– Electrodos

• Ánodo

• Cátodo

– Paso de electrones



– Electrolito

Iones de hidrógeno

positivos

Iones

negativo

hidróxilo

El agua conduce la corriente



– Electrodos

Ánodo Electrolito Cátodo

Agua



– Paso de electrones

Electrolito

(Agua)

Cátodo

(protegido)

corriente

- +

Ánodo

(corrosión)

Los electrones

fluyen del ánodo

al cátodo


• Fuerza Electromotriz (FEM) – Es imposible medir potencial absoluto de una semicelda

– Se hace por comparación con semipila de electrodo de hidrógeno

Zn

Cu Pt

V1 V2

Pt

H2 H2


• Fuerza Electromotriz (FEM)

SERIE ELECTROMOTRIZ

Reacción en Equilibrio E°H (volts)

Au+2 + 2e = Au + 1.7

1/2 O2 + 2H++ 2e = H2O + 1.23

Pt+2 + 2e = Pt + 1.2

Ag+1 + 1e = Ag + 0.80

Cu+2 + 2e = Cu + 0.34

2H+ + 2e = H2 0.00 (por definición)

Ni+2 + 2e = Ni - 0.13

Fe+2 + 2e = Fe - 0.44

Cr+3 + 3e = Cr - 0.70

Zn+2 + 2e = Zn - 0.76

Al+3 + 3e = Al - 1.66


• Comportamiento de los materiales frente al potencial eléctrico


• Corrosión del hierro

Fe - 2e Fe++ (iones ferrosos) Fe++ + 2OH- Fe(OH)2 4Fe(OH)2 + 02 + 2H2O 4Fe(OH)3

Fe

Fe

Fe(OH)

Fe(OH)

Fe(OH)

Fe(OH)

2

2

2

2

O 2

2 H O 8 e

Flujo de e- Flujo de e- Flujo de e-

e e 2 2

++

++

_ _ _

_ _ _ OH

OH

_

_

Las reacciones de oxidación (corrosión) ocurren en el ánodo

Ionización de hierro por

pérdida de 2e-

Formación de la forma

Inestable: Fe(OH)2

Fe(OH)2 se combina con

el oxígeno y forma óxido

2 H O



2H+ + 2e H2 4H+ + O2 + 4e

2H2O

Flujo de e- Flujo de e-

Flujo de e-

_ O

H

H

+

+

H +

H +

H +

H + 2

_ e

e

_ e

_ e

_ e

_ e

_ e

_ e

_ e

_ e

O 2

H O

H O 2

2

+ + +

Reacción de reducción (protección) ocurre en el cátodo

Electrones que llegan al cátodo neutralizan algunos

Iones hidrógeno

O2 + 2H2O + 4e 4OH-



• 2H+ + 2 electrones H2 (gas)

• O2 (gas) + 2H2O + 4 electrones 4OH- (medio alcalino)

• O2 (gas) + 4H+ + 4 electrones 2H2O (medio ácido)

• Fe – 2e Fe++

• Fe++ + 2OH- Fe(OH)2

• Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3

Án

od

o

Cát

od

o

Corrosión Según la Apariencia


Uniforme Localizada

Bajo tensión

Galvánica

Erosión

Hendidura

Picadura

Biológica

Intergranular

Cloruros Fatiga

Cavitación


• Corrosión uniforme – Es un ataque homogéneo

– Permite calcular la vida útil

– Produce un deterioro “aceptable”.

– La velocidad de corrosión es función de la naturaleza del metal, humedad, presencia de contaminantes


• Corrosión galvánica

– Dos metales disímiles se acoplan eléctricamente en un medio electrolítico.

Alumini

o

Alumini

o

Tornillo de

latón Metal

corroído

Corrosión en el resquicio de la junta aislante

Corrosión entre tubo de cobre y soldadura de aleación de cobre


• Corrosión por hendidura – Se presenta en espacios confinados

o hendiduras que se forman cuando los componentes están en contacto estrecho.

– La hendidura debe ser muy cerrada, con dimensiones menores a un milímetro.

– Empaquetaduras, empalmes, pernos...

– Su mecanismo es similar a la corrosión por picado.


• Corrosión por erosión – Se da cuando soluciones con rápido

flujo desprenden capas adheridas y depósitos que protegen contra la corrosión

– Medios de alto flujo o turbulencia bombas, conductos turbinas

– Son susceptibles los aceros al carbono y aleaciones de Cu y Al

– Son resistentes: aleaciones de Ni y Ti.

Corrosión por erosión en tubería de cobre


• Corrosión por cavitación – Presiones estallar metal y los

revestimientos protectores.

– Ocurren a altas velocidades de flujo y cambio brusco en la dirección del mismo. (Flujo turbulento)

Cavitación de aleación de niquel de las palas de una bomba expuesta a un

medio con ácido clorídrico


• Corrosión por grietas y por tensión – Es causada por los cambios en la acidez, agotamiento

del oxígeno, iones disueltos y ausencia de un inhibidor.

Corrosión bajo tensión de un conjunto de aleación de acero soldados (limitaciones de la soldadura)


• Corrosión selectiva – Es la remoción preferencial de

uno o más metales de una aleación en un medio corrosivo, tal como la remoción del zinc del bronce (dezincación), lo que conlleva al debilitamiento de los metales y a fallas en las tuberías


• Corrosión por tuberculación – Los tubérculos son cúmulos de

productos de corrosión y de depósitos que cubren las regiones localizadas de pérdida de metal.

– Pueden atacar tuberías, lo que trae como consecuencia la disminución del flujo.

Corrosión por tuberculos en la superficie de tube de cobre usado para conducir aguas residuales


• Corrosión biológica – La actividad metabólica de los

microorganismos pueden provocar directa o indirectamente un deterioro del metal por procesos de corrosión. Las consecuencias de esta actividad pueden ser: • Producir un ambiente corrosivo

• Crear celdas de concentración electrolítica en la superficie del metal

• Modificar la resistencia de las películas superficiales

• Tener influencia sobre el índice de reacción anódica o catódica

• Modificar la composición ambiental

Fe++ + SO4

-- + 4H2O 4Fe(OH)2 + FeS + 2OH- Reacción de corrosión bacteriana:


• Corrosión intragranular

– Disolución preferencial en los límites de grano

– Las propiedades físicas y químicas difieren con respecto al resto del material

– Se presenta en aceros inoxidables, aleaciones de aluminio, de niquel y metales puros.


• Corrosión por fatiga – Se presenta a escala

microscópica en forma de grietas transcristalinas

– Acción simultánea de un medio corrosivo específico y esfuerzos alternados y cíclicos

• Tubos intercambiadores de calor

• Alabes de turbinas

• Aceros en vapores con cloruros


• Corrosión por picadura – Ocurre en cualquier parte del sistema

– Fácil de reconocer por la formación de picaduras


• Corrosión por picadura – Ocurre en cualquier parte del sistema

– Fácil de reconocer por la formación de picaduras

Fase gaseosa-aire oxígeno

Fase líquida :oxígeno-agua

+ Catodo+

High O2

OH OH

Fase sólida

Ga

s

Liq

uid

S

ólid

o

+ Catodo +

+ Anodo +

e e e

e

H

H O2

tubérculo poroso formado por los

productos de

reacción

High O2

OH

O2

H Fe (OH)3

Fe3O4

Fe(OH)2

Crater

Fe++

H+ H+

H2 H2


• Corrosión por acción de Cloruros

O2 + 2H2O + 4e 4OH-

2FeO Fe++ + 4e-

2FeO + O2 + 2H2O 2Fe++ + 4OH-

O2 + 2H2O + 4e 4OH-

Fe++ Fe+++ + e / 4

4Fe++ + O2 + 2H2O 4Fe+++ + 4OH-

Fe+++ + 4Cl- FeCl4- Formación de complejo muy estable que

Consume iones Fe+++ acelerando la disolución del hierro

)(

)()(

2

42

O

OHFeK

)()(

)()(

2

4

44

OFe

OHFeK

Factores que Afectan la Corrosión

Factores inherentes al

medio corrosivo

Factores inherentes al

material

–Temperatura

–Naturaleza del medio (s-l-g)

–Concentración de oxígeno

–pH

–Humedad

–Contaminantes

–Acción de microorganismos

–Corrientes externas

–Tensiones aplicadas

–Naturaleza del metal o

aleación

–Presencia de inclusiones en

la superficie

–Homogeneidad de su

estructura

–Tratamientos térmicos

–Tensiones residuales

–Grietas o defectos

superficiales

–Incrustaciones de óxidos o

poros


• Concentración de Oxígeno

Velocidad de

corrosión

(mm/año)

7.5

5.0

2.5

0 0 2 4 6 8 10

Oxígeno (ppm)

49C 32C

9 C


• pH


• Heterogeneidades del material

a) Los metales están constituidos por granos con un ordenamiento diferente.

b) La unión de los granos define un borde de grano que es más reactivo que el interior del mismo.

c) Los metales poseen impurezas que pueden actuar como partículas catódicas.


• Heterogeneidades del medio

Resquicio (corrosión)

Resquicio

(corrosión)

a) Unión solapada

b) Zonas de contacto entre planchas metálicas amontonadas en un almacén


• Heterogeneidades del medio

Resquicio

(corrosión)

Raya o marca

cavidad Grieta

c) Contacto de una superficie metálica con una partícula inerte (polvo).

d) Rayaduras sobre la superficie metálica, defectos en la solda-dura.

Prevención de la Corrosión

Materiales usados en la conducción de agua, sin y con

control de la corrosión


• El tiempo más efectivo para prevenir la corrosión es durante el diseño

• Factores – Condiciones del medio

– Aspectos físicos (Esfuerzos, soldadura, uso)

– Métodos de prevención de la corrosión

• Selección – Material

– Método de prevención adecuado



• Datos de corrosión se derivan de diversas fuentes – Diseños previos (plantas o aplicaciones similares)

– Datos del fabricante

– Datos en publicaciones

– Desarrollos especializados

• Diseño de nuevos equipos y materiales – El diseñador debe estar actualizado en las innovaciones que

permitan resolver problemas no tratados en el pasado

• Naturaleza y composición de los materiales – Se deben considerar las condiciones extremas que puedan

cambiar los materiales. Ej: agentes agresivos como los ácidos.


• Corrosión General

– Incrementar el espesor, controlar la composición, conformación de recipientes, drenajes de aguas, evitar arrastre de contaminación por aire, accesos para mantenimiento y reparación, evitar las esquinas.

• Corrosión Atmosferica

– Selección de materiales apropiados en el diseño

– Cambios de ambiente (uso de inhibidores, control de PH, desaireación).

– Recubrimientos metálicos o pinturas

– Técnicas electroquímicas:

• Protección anódica

• Protección catódica


• Galvanica:

– Selección de materiales

– Efecto de área

– Precaución con recubrimientos

– Inhibidores

– Protección catódica

– Diseño

– Aislamiento


• Erosion – Cavitacion:

– Mitigar turbulencias

– Ajustar capacidad de bombeo y dimensiones de tubería

– Evitar cambio de dirección

– Usar curvas y evitar angulos

– Usar deflectores (dism velocidad)

– Evitar soldadura dentro de la tubería


• Hendidura:

– Diseño de uniones, soldadura de uniones

– Evitar acumulación de líquidos

– Limpieza y remoción periódica

– Drenaje completo

– Sustitución de aleación de menor Rcorr (es preferible una tasa predecible a localizada inpredecible)


• Fatiga:

– Disminuir los esfuerzos cíclicos

– Evitar entallas

– Utilizar encubrimientos de sacrificio(cinc, cadmio sobre acero).

– Proporcionar suficiente flexibilidad para reducir sobreesfuerzos debido a expansión térmica, vibración, choques y trabajo de la estructura o equipo

– Utilizar inhibidores de corrosión

– Seleccionar materiales apropiados

– Usar chorro de perdigones el cual induce esfuerzos de compresión en la superficie y tiende a reducir la fatiga por corrosión.


• Biológica: – Uso de bactericidas, fungicidas y algicidas los cuales deben ser

probados en le laboratorio para determinar las dosis más convenientes a utilizar

– Selección de materiales resistentes a la corrosión

– Realizar análisis bacteriológicos

– Origen del agua y uso previsto

– Naturaleza de las instalaciones


• Protección mediante recubrimientos: – R. Orgánicos: recubrimientos y revestimientos

– R. Inorgánicos: esmaltado, cementado

– R. Conversión: química (cromatizado) y electroquímica (anodizado)

– R. Metálicos: químicos, electroquímicos, inmersión en caliente,

metalizado, difusión, etc.


• Protección catódica:

Corrosión en el Hormigón Armado

• La corrosión del acero en el hormigón es un proceso electroquímico que pueden producirse por dos vias:

– Por la colocación de materiales de diferentes diferente naturaleza electroquímica en el hormigón

– Por variaciones en las concentraciones de iones disueltos


• Protección de la armadura con la capa pasiva – Condición necesaria: pH


• Factores que afectan la corrosión de las armaduras – pH de la disolución en los poros del hormigón

– Concentración de iones cloruros y hidroxilo

– Profundidad de carbonatación

– Difusión y retención de cloruros

– Humedad / ciclos humedad y secado

– Diferencia de potencial

• Aceleración de la corrosión – Carbonatación

– Ataque por cloruros


• Carbonatación – El Ca(OH)2, con contribución secundaria de los álcalis

disueltos en el agua de los poros, da al hormigón un pH entre 12 y 13.

– La carbonatación consisten en la precipitación del carbonato de cálcio de acuerdo con las reacciones abajo que reducen el pH a 9 y comprometen la capa pasiva de la armadura.

CO2 + H2O H2CO3

2H2CO3 + Ca(OH)2 Ca(HCO3)2 + H2O

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 + 2H2O


• Ataque por cloruros

– Los iones de cloruros (Cl-) son altamente nocivos al hormigón armado, afectándolo mediante tres mecanismos

• Reducción del pH

• Incluso con pH del orden de 12, los iones Cl- pueden atravesar la capa pasiva alrededor de las armaduras y causar corrosión por picadura

• Aumenta el poder de conducción eléctrica de los iones Fe++ por el agua presente en los poros del hormigón, acelerando la corrosión


• Ataque por cloruros

– Fuentes de contaminación

• Ambiente marino

• Ambiente industrial

• Sales de deshielo

• Aditivos aceleradores de fraguado

Reacciones

de oxidación

Fe+++ + 3 Cl- Fe Cl3

Fe Cl3 + 3OH- Fe(OH3) + 3 Cl

-


Camada carbonatada

ou contaminada

Camada Passivadora

Camada Passivadora

CO2 Cl-

Corrosão

CO2 Cl-


• Corrosión por acción de Cloruros

– Ataque a piezas de hormigón armado en ambientes marinos


• Corrosión por carbonatación


• Prevención – Uso de tipo de cemento y dosificaciones adecuados

– Máxima compactación y buenas condiciones de cura

– Limitación de abertura de fisuras

– Protección de la pieza frente a ciclos de humedad y secado (pinturas)

– Mínimo empleo de aditivos o materiales que puedan contener cloruros

– Uso de inibidores de corrosión (NaNO3, KCr3, fosfatos, silicatos, etc.)

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