PROTECCION CATODICA - INFORMACION TECNICA
¿ Que es la Corrosión ?
La corrosion es un proceso electroquimico capaz de destruir una estructura metalica por la accion de numerosas celdas galvanicas que se forman en su superficie cuando dicha estructura esta inmersa en un medio acuoso conductor. Estas celdas son "pilas" y como tal estan formadas por un anodo y un catodo unidos electricamente y un electrolito que los baña.
Anodo es aquel electrodo del cual fluye la corriente positiva en forma de iones hacia el electrolito. Aqui ocurre la "oxidacion" la que implica la perdida de metal.
Catodo es aquel electrodo del cual fluye corriente negativa hacia el electrolito. Aqui ocurre la "reduccion", la corriente llega desde el electrolito y el metal se protege.
Electrolito es el medio en que el anodo y catodo estan inmersos y que tiene capacidad para conducir corriente. Los electrolitos mas habituales son agua dulce, agua de mar y tierra.
Union metalica. El anodo y el catodo estan conectados por un conductor de primera (metalico) que conduce la corriente, por fuera del electrolito.
Sin estos 4 elementos no hay corrosion galvanica. Esto debe tenerse muy en cuenta, porque para evitar o disminuir la corrosion, se puede actuar sobre cualquiera de ellos.
Una superficie de metal inmersa en un electrolito, forma por diferencia de potencial entre los materiales de la superficie, pilas de corriente que circulara por el medio acuoso, de anodo a catodo, desgastandose el primero y protegiendose el segundo.
Con las pilas que forman los pares de metales se construye la "serie electroquimica" que indica cual de los metales sera anodo y se corroera en contacto "galvanico" con otro.
Serie Electroquímica
Los metales tienen una tendencia natural a la corrosion, unos mas que otros. Esta diferencia hace que existan metales "nobles" que no se corroen naturalmente y metales muy reactivos, que incluso no pueden existir en estado metalico porque se corroen con mucha facilidad en el aire o en agua.
Esta diferencia natural entre los metales produce el efecto de "corrosion galvanica" que es el responsable de la corrosion acelerada que sufre un metal bajo ciertas condiciones. Al estar en contacto electrico dos metales diferentes e inmersos en un electrolito agresivo como el agua de mar, se produce la aceleracion de la corrosion por efecto galvanico.
| Tabla Nº 1 - Serie Electroquimica |
| Mas alto Potencial Mas activos o menos nobles. Se oxidan mas facilmente. Magnesio Aleaciones de Magnesio Zinc Aluminio y sus aleaciones Acero dulce Hierro forjado Fundicion Ni resistente Acero inoxidable 13% Cromo tipo 410 Soldadura 50-50 plomo estaño Acero inoxidable 18-8 tipo 304 (activo) Acero inoxidable 18-8 3% Molibdeno tipo 316 (activo) Plomo Estaño Metal Munts Bronce al Manganeso Bronce Naval Niquel (activo) Inconel (activo) Laton amarillo Bronce Aluminio Laton rojo Cobre Bronce al silicio 5% Zn -20% Ni, resto Cu (Ambrac) 70% Cu -30% Ni 88% Cu -2% Zn -10% Sn -1,5 Pb Niquel (pasivo) 76% Ni -16% Cr - 7% Fe Inconel (pasivo) Acero inoxidable 18-8 tipo 304 (pasivo) Acero inoxidable 18-8, 3% Mo tipo 316 (pasivo) Metales Nobles: Oro, Plata, Platino Menos activos o mas nobles, resisten mejor la oxidacion Mas bajo potencial |
Corrosion del Acero
No solamente la existencia de dos metales diferentes conectados en la forma antedicha produce un efecto galvanico. Tambien se produce por otros factores como aireacion diferencial, diferente concentracion salina, estructuras metalograficas diferentes y otras. En todos los casos un punto de la estructura tiene caracter anodico y otro cercano y conectado tiene caracter catodico.
a) Anodo: Feº ........................................................Fe-2 + 2 electrones
b) Catodo: H2O + 1/2 O2 + 2 electrones ....................2 OH-
c) Catodo: 2H2O + 2 electrones ................................2 OH- - H2
La reaccion a) se realiza solo si al mismo tiempo se realiza la 2) o la 3). Esta dependencia es muy importante y define la velocidad de corrosion. Si hay oxigeno presente, la reaccion 2) que es mucho mas rapida que la 3) sera la responsable de que la 1) ocurra mas rapido. Esto explica porque la corrosion del acero en agua con alto contenido de oxigeno es mayor.
Cuando hay dos elementos metalicos diferentes, por ejemplo cobre y hierro, el mas noble (el cobre) sera catodo y el menos noble (el hierro) sera anodo y se corroera por generacion de las corrientes galvanicas mencionadas.
Polarización
A medida que la corriente circula por esta "pila" que se forma con los cuatro elementos nombrados, el anodo se hace menos anodico y el catodo menos catodico, acercando sus potenciales y disminuyendo por lo tanto el flujo de corriente que circula. De todos modos, permanece una pequeña diferencia de potencial, que es el responsable de que la corrosion continue. Este fenómeno de polarización explica por que la velocidad de corrosion disminuye con el tiempo.
Una plancha de acero en el mar se corroe muy fuertemente al comienzo y luego baja su velocidad de corrosion. Las razones de la polarizacion son fundamentalmente tres: por concentracion, por activacion y por caida de IR.
En la serie galvanica de los metales o aleaciones en agua de mar que aqui se presenta, estos se ordenan segun su tendencia a oxidarse en este medio, siendo los mas activos justamente los metales y aleaciones que se utilizan como anodos de sacrificio.
Los metales o aleaciones que estan arriba de la serie, formaran pilas con los que estan bajo ellos y a mayor distancia en la serie se tendra una diferencia de potencial mayor.
¿ Como evitar o minimizar los efectos de la corrosion ?
Hay muchas formas de disminuir los efectos de la corrosion, dependiendo de que tipo de corrosion sea, pero lo mas aconsejable del punto de vista tecnico y economico para estructuras inmersas en un electrolito agresivo como el agua de mar, es utilizar el efecto combinado de un buen revestimiento (pintura) complementado con Proteccion Catodica (P.C.). Esto es especialmente valido para los cascos de barco, las boyas, los estanques de lastre, etc. Para los muelles y los puertos es mas conveniente aplicar P.C. sobre la estructura desnuda.
Barras de Magnesio, cinta romboidal de cinc, lingotes, etc.
El revestimiento hace que los anodos y catodos naturales formados en la superficie queden aislados del electrolito impidiendo la formacion de las pilas galvanicas naturales. La P.C. complementa esta accion, ya que la pintura nunca es 100% perfecta y durante el servicio, la estructura pintada (Ej: Casco del barco) sufre rayaduras que hacen que una pequeña superficie quede expuesta al electrolito, comenzando ahi el ataque corrosivo y extendiendose por debajo de la pintura rapidamente. Si hay anodos de sacrificio o de corriente impresa que envien corriente a ese punto, se impide la corrosion. La pintura durara mucho mas con P.C. y los anodos duraran mas si la pintura cubre la mayor superficie posible, ya que en este caso los anodos solo envian corriente a los puntos donde ha sufrido una falla la pintura.
Una pintura perfecta que se mantuviera asi durante todo el tiempo, no necesitara P.C., pero eso no es posible. Los rayones y los golpes deterioran rapidamente el casco del barco o de cualquier estructura en el mar. Por su parte, una P.C. bien calculada no necesitara ser complementada con pintura, pero la cantidad de anodos necesarios para el casco lo hace impracticable. En los muelles y tablestacas de los puertos se usa la P.C. sin pintura, pero la masa de anodos puede ser mucho mayor ya que no van sobre elementos flotantes.
El efecto de la P.C. es formar deliberadamente una pila similar a las pilas de corrosion, colocando anodos para que entreguen corriente, haciendo que la estructura sea el catodo.
Sin Proteccion Catodica, se producen las siguientes reacciones naturales:
1) Fe = Fe+2 + 2e (reaccion de corrosion en zona anodica)
2) ½ O2 + H2O + 2e = 2 OH (reaccion de proteccion en zona catodica en presencia de O2)
que es lo mismo que:
3) Fe + 2 H2O + ½ O2 = Fe (OH)2
con anodos de sacrificio, la situacion es la siguiente:
4) Zn = Zn+2 + 2e (reaccion del anodo de sacrificio)
5) ½ O2 + H2O + 2e = 2 OH (reaccion de proteccion en el catodo)
La reaccion 4) reemplaza a la 1) que es la ecuacion de corrosion.
La Proteccion Catodica hace CATODO toda la estructura a proteger. Estas son reacciones de oxido-reduccion, dependientes entre si. Si no hay "receptores de electrones, no puede haber dadores". Una forma de impedir que la reaccion 1) se realice, es impedir que la 2) lo haga.
El costo de la P.C. es minimo en relacion al daño que evita en estructuras de alto costo como muelles, tablestacas, casco de barcos, boyas, lanchones, emisarios, estanques, cañerias, etc. Otra ventaja importante de la P.C. es que detiene la corrosion de estructuras ya corroidas.
La P.C. se aplica de dos formas, con anodos galvanicos o "de sacrificio" y con corriente impresa. En esta ultima, los anodos no son de sacrificio, por el contrario, lo que interesa es que duren lo mas posible. La corriente impresa no proviene de la disolucion de los anodos.
La corrosion se detiene cuando se hace fluir una corriente electrica de magnitud suficiente para contrarrestar las celdas galvanicas mencionadas en la primer parte. Esta corriente, que va desde una fuente externa hacia la estructura puede obtenerse de un rectificador o generador (corriente impresa) o de un anodo de sacrificio (corriente galvanica) que forma una pila con la estructura impidiendo la corrosion.
Estructuras metalicas expuestas a sufrir problemas de corrosion severa, son, por ejemplo barcos, barcazas, pontones, diques boyas, muelles, tablestacados, o sea todo artefacto sumergido parcial o totalmente el agua (electrolito), especialmente agua de mar. Tambien en tierra, en situaciones determinadas, puede afectar a cañerias y ductos, estanques, torres petroleras e incluso de conduccion electrica.
Los metales que se usan para fabricar anodos galvanicos de P.C. son los tres primeros de la serie de potenciales de electrodo de los metales en agua de mar, constituyendo determinadas aleaciones. Los anodos de magnesio, primero de la serie, pueden ser usados en tierra y agua dulce y los otros dos preferencialmente en agua de mar, pudiendo utilizarse el anodo de zinc tambien en agua dulce, bajo ciertas condiciones de conductividad. El anodo de aluminio no puede ser utilizado en aguas de bajo contenido de cloruro, porque se pasiva.
Los metales mencionados, si estan solos sin constituir aleaciones, tienen tendencia natural a "pasivarse", esto es, no seguir corroyendose y entregando corriente, por lo tanto cesan en su calidad de anodos. Lo mismo sucede cuando los contenidos de impurezas exceden lo permitido por las normas. Estas aceptan un maximo contenido de Fe bastante estricto. Para evitar este problema, las aleaciones para anodos son fabricadas con metales electroliticos puros, incluyendo ademas de los galvanicos, dos tipos de elementos; los afinadores de granos y los despasivantes. Por otra parte, la tecnica de fabricacion del anodo debe estar orientada a obtener un grano fino y muy parejo, de forma de evitar la corrosion intergranular y la segregacion, que harian que el anodo se gastara en forma irregular y generara menos corriente de la que corresponde.
Anodos Galvanicos
Los anodos galvanicos estan hechos de una aleacion de potencial mas bajo que el de la estructura a proteger y se conectan directamente o por medio de un cable conductor a dicha estructura. Como las corrientes involucradas en la P.C. son debiles y de bajo potencial, es fundamental que la union metalica anodo-estructura sea de muy baja resistencia.
Estos anodos galvanicos son tambien llamados "anodos de sacrificio" porque son gradualmente consumidos en forma natural por la accion del par galvanico que se produce, generando corriente y protegiendo asi a la estructura a la cual estan conectados, evitando su corrosion.
Ahi donde entra corriente continua positiva desde el electrolito no habra corrosion, ya que la corrosion involucra salida de corriente hacia el electrolito.
Los materiales que se usan en anodos galvanicos son las aleaciones de Aluminio, de Zinc y de Magnesio.
Cuando el anodo se usa bajo tierra debe estar envuelto en un "backfill" que es un relleno de muy baja resistividad (grafito, sulfato de sodio, bentonita, yeso, etc.) para disminuir la resistencia en la interfase anodo tierra.
Las ventajas del anodo galvanico son:
1) Facil instalacion tanto en estructuras nuevas como usadas.
2) No necesitan mantencion
3) Se pueden usar en estructuras moviles o ubicadas en lugares donde no hay energia electrica.
4) Bajo costo, especialmente cuando se aplican en la cantidad calculada en estructuras desnudas o en estructuras pintadas, como complemento de la pintura (cascos de barcos).
Anodos para corriente impresa
Los anodos para corriente impresa, al contrario de los anodos galvanicos, estan hechos de materiales resistentes al desgaste. La corriente que entregan no proviene del desgaste de su masa como los anodos galvanicos, sino que de una fuente externa, que puede ser un transformador o un rectificador. El anodo de C.I. recibe la corriente y la entrega al electrolito, actuando solamente como un conductor. Algunos anodos de C.I. sufren algun desgaste a lo largo de su vida util, como los de plomo antimonio plata que se utilizan en agua de mar. Otros en cambio, no sufren desgaste alguno, como los de metales nobles.
Fundi Serber S.R.L. presenta una completa linea de anodos galvanicos y anodos de plomo antimonio plata para corriente impresa. Ademas de los de tipo estandar que presenta, Fundi Serber S.R.L. fabrica anodos en distintas formas y dimensiones a pedido del cliente.
Es muy importante que los anodos de sacrificio tanto de zinc como de aluminio-indio sean fabricados con metales puros (high grade) tal como especifican las normas internacionales. Se debe tener cuidado con las "ofertas" de anodos, debido a que pueden haber sido fabricados con metales reciclados o refundidos, y en este caso, la posibilidad de pasivacion es muy alta existiendo el riesgo innecesario de comprometer el casco o la estructura.
Definir el tipo de anodo que se usara por conveniencia de aleacion, tamaño y forma, considerando que en estructuras fijas y desnudas es definitivamente mas conveniente, en general, el anodo de Aluminio o la corriente impresa. En estructuras pintadas y moviles en agua de mar como los cascos de los barcos, aun se prefiere el anodo de zinc, a pesar de claras ventajas del anodo de aluminio. En estructuras en tierra, como las cañerias enterradas, debe utilizarse el anodo de magnesio, de mucho mayor potencial.
El anodo de zinc en este sentido es muy practico, ya que si esta francamente en exceso a lo necesario, solamente alargara su vida util sin provocar ningun problema a la estructura, debido a su baja diferencia de potencial con respecto a esta. Con el anodo de aluminio se debe ser algo mas riguroso en el calculo, ya que un fuerte exceso de proteccion puede provocar problemas en el revestimiento. Este efecto es mucho mayor aun el en anodo de magnesio.
Los anodos actuales, de zinc o de aluminio indio, que son las dos aleaciones que se recomiendan para proteccion en agua de mar, necesitan reunir varias condiciones para asegurar su buen funcionamiento. La aleacion debe ser hecha cuidadosamente en cuanto a su composicion. La presencia de impurezas inactivan el anodo, formando una capa aislante.
A este se debe que las normas Militar Standard de USA, ASTM, DIN y otras exigen que las aleaciones sean hechas de metales electroliticos puros.
Si un anodo se gasta, es señal de que ha protegido a la estructura a la que esta electricamente unido. Si se gasta mas de lo esperado, hay dos posibilidades:
a) Ha sido mal fabricado y se desprendio material o el material entrego menos corriente por kilo.
b) La demanda de corriente es mayor que la calculada y el anodo tuvo que sacrificarse mas para proteger
Si los anodos no se gastan o se gastan menos de lo esperado hay tres posibilidades:
a) La pintura es muy buena y se mantiene en un muy buen estado, con lo que los anodos tuvieron que entregar menos corriente.
b) La masa de anodos instalados es excesiva y cada uno entrego menos corriente.
c) Los anodos no protegieron porque se pasivaron total o parcialmente.
Comparacion entre Anodos (Zn y Al - In)
| Resumen de Propiedades | ZINC | ALUMINIO-INDIO |
| Capacidad de corriente (Amp- Hr/Kg) | 780 | 2450 |
| Consumo o desgaste (Kg / Amp - Año) | 11,2 | 3,60 |
| Potencial con respecto a acero protegido (volts) | 0,20 | 0,25 |
| Peso específico (kg / dm3) | 7,10 | 2,80 |