Corrosión de Un Tubo de Acero Galvanizado

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INGENIERIA DE LOS MATERIALES CORROSIÓN DE UN TUBO DE ACERO GALVANIZADO EN SOLUCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO AL 5% Resumen Se estudió el efecto de una solución de Ácido Nítrico al 5% sobre una probeta de un tubo de acero galvanizado a temperatura y presión del ambiente de Medellín durante una semana. En el transcurso de las semanas de experimentación se hicieron 8 mediciones después de una medición inicial antes de empezar el proceso de corrosión (9 mediciones en total), en las que se tomaron registros fotográficos y datos acerca la masa y las dimensiones de la probeta (longitud y diámetros interior y exterior del tubo de acero galvanizado), con el fin de estimar la velocidad de corrosión en milésimas de pulgada por año (mpy) y en miligramos por decímetro cuadrado por día (mdd). Objetivo Determinar, cuantificar y analizar el efecto del ácido nítrico (HNO 3 ) sobre un tubo de acero galvanizado. Introducción La galvanización es un proceso mediante el cual se puede cubrir un metal con otro. La función del galvanizado es proteger la superficie del metal sobre el cual se realiza este proceso. En este caso el tubo de acero se recubrió con cinc, este último es anódico respecto al hierro y por ende este preferencialmente se consume protegiendo de esta forma la estructura de acero. El ácido nítrico, además de ácido, también es un agente oxidante y puede producir una película protectora de óxido férrico (Fe 2 O 3 ) en la superficie del hierro, cesando entonces el ataque porque la película lo protege, aunque se disuelve, pero muy lentamente. Así se establece una lucha entre las propiedades ácidas y oxidantes del ácido nítrico. Si el ácido esta diluido, prevalece el ataque del ácido y la corrosión tiene lugar violentamente. Pero si el ácido está concentrado, prevalece la acción oxidante, y después de un ligero ataque al principio, queda el hierro auto protegido.

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Corrosión de un tubo de Acero Galvanizado en solución de Ácido Nítrico al 5%

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INGENIERIA DE LOS MATERIALES

CORROSIN DE UN TUBO DE ACERO GALVANIZADO EN SOLUCIN DE CIDO NTRICO AL 5%ResumenSe estudi el efecto de una solucin de cido Ntrico al 5% sobre una probeta de un tubo de acero galvanizado a temperatura y presin del ambiente de Medelln durante una semana. En el transcurso de las semanas de experimentacin se hicieron 8 mediciones despus de una medicin inicial antes de empezar el proceso de corrosin (9 mediciones en total), en las que se tomaron registros fotogrficos y datos acerca la masa y las dimensiones de la probeta (longitud y dimetros interior y exterior del tubo de acero galvanizado), con el fin de estimar la velocidad de corrosin en milsimas de pulgada por ao (mpy) y en miligramos por decmetro cuadrado por da (mdd). ObjetivoDeterminar, cuantificar y analizar el efecto del cido ntrico (HNO3) sobre un tubo de acero galvanizado. IntroduccinLa galvanizacin es un proceso mediante el cual se puede cubrir un metal con otro. La funcin del galvanizado es proteger la superficie del metal sobre el cual se realiza este proceso. En este caso el tubo de acero se recubri con cinc, este ltimo es andico respecto al hierro y por ende este preferencialmente se consume protegiendo de esta forma la estructura de acero. El cido ntrico, adems de cido, tambin es un agente oxidante y puede producir una pelcula protectora de xido frrico (Fe2O3) en la superficie del hierro, cesando entonces el ataque porque la pelcula lo protege, aunque se disuelve, pero muy lentamente. As se establece una lucha entre las propiedades cidas y oxidantes del cido ntrico. Si el cido esta diluido, prevalece el ataque del cido y la corrosin tiene lugar violentamente. Pero si el cido est concentrado, prevalece la accin oxidante, y despus de un ligero ataque al principio, queda el hierro auto protegido. Ya que el tubo de hierro esta galvanizado el cido ntrico ataca primero el recubrimiento de cinc.Equipos y Materiales Segueta Tubo de acero galvanizado Lima Pie de rey cido ntrico al 5% Recipiente de vidrio con tapa Campana de gases

ProcedimientoUn mtodo simple y muy implementado para la estimacin de la corrosin en materiales de construccin de equipos de proceso es el anlisis de la prdida de peso de probetas de muestra. Se simulan las condiciones del proceso para una muestra o probeta, del metal o aleacin a considerar, para despus de un perodo de tiempo de exposicin, medir su masa y dimensiones. La probeta, es entonces limpiada de todos los productos secundarios de la corrosin y es pesada. En este caso con la segueta se cort un tubo de acero galvanizado, se limaron las asperezas que quedaron en la parte superior e inferior del tubo para obtener una probeta de 32 mm de longitud, con un dimetro interior de 21 mm y dimetro exterior de 22.7mm. Luego se determin su masa, obtenindose 18.83 g. estn viene siendo la mediciones iniciales (medicin cero) en un tiempo t0 = 0.Se prepararon 60 ml de solucin de cido ntrico al 5% v/v en la campana de extraccin utilizando HNO3 al 70% v/v. Usando la siguiente expresin se hall el volumen necesario de esta solucin para preparar los 60 ml de HNO3 al 5 % v/v:

Entonces para preparar la solucin de cido ntrico al 5 %v/v se necesitaron 4.27 ml de HNO3 al 70 % v/v y diluirlos hasta 60 ml, que es el volumen necesario para que la probeta quede totalmente sumergida en el recipiente de vidrio con tapa donde se llevara a cabo el proceso de corrosin.Se verti la solucin de cido ntrico en el recipiente de vidrio y luego la probeta, por ltimo se sell este recipiente con su respectiva tapa para no permitir la aireacin de la probeta y la solucin. En los siguientes das que se haran mediciones, se abri el recipiente, se sac la probeta con ayuda de las pinzas de laboratorio, luego de lavarla se tomaron registros fotogrficos y se midi la longitud, los dimetros interno y externo de la probeta y su masa. Finalmente se introdujo nuevamente la probeta en el recipiente con el cido hasta la siguiente medicin. Este proceso se repiti 8 veces.Modelo de Calculo Calculo de la velocidad de corrosinLa velocidad de corrosin se puede calcular de acuerdo con la siguiente expresin:

donde la prdida de masa (W) est dada en mg, el rea (AT) en pulgadas cuadradas (pulg2) de superficie metlica expuesta, el tiempo (t) en horas de exposicin, la densidad () en g / cm3 y mpy es milsimas de pulgada por ao.Para calcular la velocidad de corrosin en miligramos por decmetro cuadrado por da (mdd) se us la siguiente expresin:

Si se desea calcular el mpy acumulado entonces W y t se calculan de la siguiente manera:La prdida de masa se calcula con la siguiente expresin:

Y el tiempo se calcula con la siguiente expresin:

Consecuentemente si se usa el mpy acumulado para hallar el mdd, entonces este mdd tambin ser acumulado. Para calcular el mpy puntual la masa y el tiempo se calculan como sigue:

Si se halla el mdd usando el mpy puntual entonces el mdd calculado tambin ser puntual. Calculo del rea y la densidadEl rea del tubo galvanizado es el rea de un cilindro hueco y puede calcularse de la siguiente manera:

Para la densidad se tiene que:

Donde m es la masa medida y VT es el volumen total, que se puede calcular como la diferencia entre volumen exterior y el volumen interior de siguiente manera:

Datos y ClculosPara realizar todos los clculos requeridos se usan las siguientes conversiones de unidades.

TABLA 1. Conversiones de unidadesLos datos tomados en el laboratorio se organizan en la TABLA 2:

TABLA 2. Datos Experimentales.Los valores obtenidos para el volumen total, la densidad y el rea de la probeta en cada medicin se listan en la siguiente tabla:

TABLA 3. Volumen, densidad y rea dela probeta.Los valores calculados para el mpy y el mdd (acumulados y puntuales) se hallan expuestos en la tabla a continuacin:

TABLA 4. Valores de mpy y mdd calculados. En la siguiente grafica se puede apreciar cmo cambian la masa y el mpy acumulado con respecto al tiempo:

GRAFICA 1. Variacin de la masa y el mpy con respecto al tiempo.

En esta otra grafica se puede notar como varia el mdd acumulado con el tiempo, y a la vez esta curva es comparada con la curva de la masa con respecto al tiempo, as como en la GRAFICA 1:

GRAFICA 2. Variacin de la masa y el mdd con respecto al tiempo.Y finalmente en la siguiente grafica se aprecia la variacin del mpy y el mdd puntuales con respecto al tiempo.

GRAFICA 3. Variacin de la masa y el mdd con respecto al tiempo.

Anlisis de ResultadosEn este experimento se estudi la corrosin producida por cido ntrico al 5% sobre una probeta de acero galvanizado. El acero galvanizado en acero con un recubrimiento de cinc. El experimento se llev a cabo durante 546.2 horas, y durante este tiempo se hizo una medicin inicial antes de empezar el proceso de corrosin y 8 mediciones ms despus de la primera. A lo largo de este tiempo se pudo notar que la probeta cilndrica, inicialmente gris, se torn negra. La siguiente imagen da cuenta de ello.

Esto se debe a que el cido ntrico reacciono con el zinc del recubrimiento y form un oxido que con el tiempo se torn oscuro. Este hecho da pistas acerca del mecanismo de corrosin que tuvo lugar en este experimento. La reaccin se da principalmente con el zinc y no con el acero porque este se consume preferiblemente protegiendo de esta forma la estructura de acero. Adems analizando la tabla de serie galvnica de metales y aleaciones en el mdulo dos del libro Notas para el curso de ingeniera de los materiales, facilitado por el profesor, es fcil notar que el zinc es andico con respecto al acero por lo que el zinc sufre la corrosin en lugar del acero, protegiendo a este ltimo. Teniendo lo anterior en cuenta entonces la corrosin en la probeta se debe a un mecanismo de corrosin electroqumica en donde la reaccin entre la solucin de cido ntrico al 5% con el nodo (el zinc) puede representarse de la siguiente manera:

La corrosin electroqumica es del tipo galvnica porque hay dos electrodos de metales diferentes en el mismo electrolito. En este caso el electrodo ms activo es el zinc porque es el que tiende a disolverse y por ende comprende la regin andica, como ya se haba mencionado; el electrodo de acero es ms noble que el zinc, por lo tanto constituye la regin catdica y tiende a protegerse.En las imgenes anteriores tambin se pueden apreciar huecos, grietas y mucha rugosidad al igual que en las siguientes:

Esto sugiere que el tipo especfico de corrosin que se present en la probeta fue la cariacin de la capa de zinc. Aunque esta corrosin pudo verse facilitada a los rayones que se hacan en la probeta al momento de cortarla con la segueta. Tambin puede clasificarse como una corrosin por ataque uniforme debido a que se presenta como resultado de una reaccin electroqumica en toda la superficie de la probeta expuesta a la solucin de cido ntrico.En cuanto a la cintica de la corrosin se pueden mencionar unos factores que influyen directamente en la velocidad de corrosin, como lo son la temperatura, la agresividad del medio y el pH. En cuanto a la temperatura a la que se realiz el experimento se puede afirmar fue la temperatura ambiente, por lo tanto el recipiente tapado donde la probeta reacciono con la solucin de cido ntrico estuvo sujeta a los cambios de temperatura del ambiente, por las noches la temperatura decaa y al transcurrir el da se incrementaba. Al disminuir la temperatura se presenta un poco de condensacin, esto aumenta la velocidad de corrosin. Al aumentar la temperatura la solubilidad de los productos de corrosin aumenta y por ende la velocidad de corrosin. Lastimosamente no se tomaron datos acerca del pH de la solucin pero se puede decir que entre ms bajo sea el pH ms rpida es la corrosin porque hay una mayor cantidad de iones hidronio en la solucin y por ende ms iones nitrato que reaccionaran con Zn2+, lo que aumenta la solubilidad en la solucin y a su vez aumenta la velocidad de la corrosin. De la agresividad del medio corrosivo, en este caso cido Ntrico, se puede decir que ataca el lado activo (el zinc) como se pudo notar en esta experiencia. En general se formaran nitratos de zinc que se depositaran en el fondo del recipiente de vidrio, como ya se mencion antes. En las siguientes imgenes se puede apreciar en el fondo del recipiente (parte negra y rojiza) estos compuestos, y tambin en la superficie de la probeta:

Todos los factores anteriores tienen gran influencia en la velocidad de corrosin. En este caso la velocidad se midi en mpy y en mdd. En la TABLA 4 se pueden apreciar valores negativos para el mpy y el mdd puntuales, esto indica que a partir de la medicin 4 la masa de la probeta empez a aumentar. La razn de este incremento de masa es la deposicin de xido en la probeta, esto se ve evidenciado en el aumento de las dimensiones de la misma. El cido ntrico como se dijo anteriormente adems de cido es un agente oxidante y probablemente produjo una pelcula protectora de xido en la superficie de la probeta (lo que aumento la masa de la misma) cesando de esta forma el ataque corrosivo. Pero si el mpy y el mdd son negativos a partir de la medicin 4, Por qu el mpy y el mdd acumulado no son negativos tambin? La respuesta es sencilla. La masa que se deposit en la probeta ms la masa de la probeta despus de que fuera consumida durante las primeras 3 mediciones nunca supero la masa inicial que tena la probeta antes de iniciar la corrosin. La tendencia de la prdida y ganancia de masa en la probeta se puede visualizar mejor en los GRAFICOS 1, 2 y 3. De estas se puede deducir que durante las primeras 167 h del experimento (aproximadamente), se present corrosin, es decir la accin acida del cido ntrico tuvo lugar. En este tiempo tanto el mpy como el mdd puntuales son positivos y hay prdida de masa. Luego a partir de este momento la masa empieza a aumentar y el mpy junto con el mdd toma valores negativos. Aqu en este tramo de la curva se puede asegurar que las propiedades oxidantes del cido ntrico son las que toman las riendas en este experimento.En la medicin 7 se nota que hay una desviacin de la tendencia, (valores positivos para mpy y mdd puntuales), este resultado puede deberse a la forma de limpiar la probeta, a esta se lavaba con agua, y en este momento siempre ocurra un poco de desprendimiento del xido que estaba adherido a la superficie de la probeta, por consiguiente las mediciones siempre estuvieron sujetas a este error. Para mejorar esto lo mejor es este caso hubiere sido someter la probeta a calentamiento para secarla y luego medir sus dimensiones y pesarla para obtener una masa ms acertada.Finalmente despus de una 378 h de experimentacin aproximadamente, los aumentos en la masa de la probeta no son tan grandes, notndose en las grficas 1 y 2 una masa casi constante a partir de la medicin 6. Esto se debe a que posiblemente la mayora del cido ntrico ya haba reaccionado y no se estaba formando tanto oxido en la probeta como en los das anteriores y en el medio predominaba ms que todo la presencia de los productos de las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de corrosin. Segn la literatura el cido ntrico diluido acta sobre la mayora de los metales disolvindolos como nitratos (como se haba propuesto anteriormente) y produciendo compuestos ricos en hidrogeno, formados por las interacciones entre los iones de hidrogeno y el cido ntrico, entre estos estn el amoniaco y la hidroxilamina, ambos presentes como nitratos junto con nitrgeno, xido nitroso y en este caso en particular nitrato y xido de zinc. Es probable la presencia de equilibrios qumicos entre algunos de estos productos por lo que las velocidades de reaccin se igualan poco a poco y por esta razn no se nota mucho el cambio en la masa de la probeta.Conclusiones Cuando el cido ntrico acta como acido se produce la corrosin de los materiales, en cambio cuando acta como oxidante, forma pelculas de xido que protegen el material de la corrosin. El mecanismo de corrosin que se present en este experimento fue el de la corrosin electroqumica del tipo galvnica porque hicieron presencia dos metales diferentes (acero y zinc) en un electrolito (cido ntrico). El zinc es andico con respecto al acero, por lo tanto tiende a ser ms activo que el ltimo y por esta razn se convierte en una especie de sacrificio para el acero ya que el zinc es el que reacciona con el cido ntrico (preferiblemente), protegiendo la estructura de acero. La masa de la probeta aumenta porque en ella se depositan xidos, que son producto de la faceta oxidante del cido ntrico. Se puede concluir que los valores de mpy y mdd obtenidos en este experimento son muy altos. Ya que la corrosin se presenta en mayor medida en las primeras 200 horas de experimentacin aproximadamente se puede decir que la corrosin que sufre el tubo de acero galvanizado debido al cido ntrico es severa porque el mpy es mayor a 50. Al final por la deposicin de xido en la probeta los valores de mpy y mdd pueden ser engaosos porque en realidad no se sabe cunta masa se pierde por corrosin, si no cuanta masa se agreg. Para evitar esta confusin se debi limpiar mejor la probeta quitando el xido para saber la cantidad de masa perdida. La masa tiende a ser constante en las ltimas mediciones porque posiblemente ya no haba tanto cido ntrico presente al final del experimento para formar los xidos que se depositaran en la probeta.ReferenciasCuesta, F. (2009). ANALISIS DEL FENOMENO DE LA CORROSION EN MATERIALES DE USO TECNICO. En METALES, PROCEDIMIENTOS DE PROTECCION. (pgs. 4-67).Gmez, E., Jaramillo, J., & Mauricio, S. (2015). NOTAS PARA EL CURSO INGENIERA DE LOS MATERIALES. En MDULO UNO: Seleccin de Materiales de Construccin Para Equipos de Proceso (pgs. 1-35). Medellin: CENTRO DE EXTENSIN ACADMICA .Philip A. Schweitzer, P. (2009). Fundamentals of Corrosion: Mechanisms, Causes, and Preventative Methods. Estados Unidos: CRC Press.