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• Cesar Huerta Benitez

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Resumen La corrosión se puede prevenir mediante diferentes métodos dependiendo del tipo de material que se desea proteger y el medio en el que se encuentra En vista de los problemas que presentan las estructuras metálicas enterradas en el sub suelo así como los tanques sumideros u otras estructuras metálicas empleadas en el almacenamiento de petróleo con el paso del tiempo, presentan deterioro por corrosión al encontrarse en un medio común agresivo que reduce su eficiencia y vida útil, por lo que se requiere implementar innovación tecnológica para incrementar la vida útil de las estructuras expuestas a estas condiciones de operación. Con el presente trabajo se busca dar a conocer los Sistemas de Protección Catódica mediante Ánodos de Sacrificio y Corriente Impresa, así mismo en qué casos se aplica cada tipo de protección incluyendo ventajas y limitaciones de cada uno .

INTRODUCCION Para la protección contra la corrosión existen muchos métodos, los más conocidos son los recubrimientos con pinturas o recubrimientos metálicos con zinc, también son utilizados los polímeros entre otros, sin embargo la protección catódica es uno de los métodos más eficaces para evitar el proceso de corrosión. La protección catódica es una técnica de control de la corrosión que se aplica en el mundo entero en instalaciones de ductos para transportar petróleo, productos terminados, agua, etc. así como en tanques de almacenamiento, cables eléctricos, telefónicos enterrados y otras instalaciones metálicas importantes. En la práctica, se puede aplicar protección catódica en metales como acero, cobre, plomo, latón y aluminio en contacto con todos los suelos y con casi todos los medios acuosos con el objeto de controlar o eliminar el deterioro por corrosión en todas sus formas (bajo tensión, intergranular, picadura, ataque generalizado, etc.). Como condición fundamental, las estructuras componentes del objeto a proteger y del elemento de sacrificio deben mantenerse en contacto eléctrico e inmerso en un electrolito. La protección catódica es el único medio preventivo que asegura la inmunidad del metal contra la corrosión; además, se neutraliza toda corriente que circula por la estructura y que origina corrosión (corrientes vagabundas).

Protección catódica Consiste en convertir la estructura a proteger en cátodo, de forma que en ella se produzca una reacción de reducción y no de oxidación Si a dicha estructura se le suministran electrones de forma continua, su corrosión se detendrá, ya que dejará de perder electrones y formar cationes. El suministro de electrones puede producirse mediante ánodo de sacrificio o corriente impresa

TIPOS DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA  ÁNODOS DE SACRIFICIO  SISTEMAS POR CORRIENTE IMPRESA

Ánodo de sacrificio •

Consiste en conectar la estructura a proteger con un material con mayor carácter anódico (un material con menor potencial de electrodo). Los más utilizados son magnesio, estaño y cinc

•

El ánodo se va corroyendo y hay que sustituirlo periódicamente para mantener la protección.

•

El medio entre cátodo y ánodo debe ser húmedo y conductor, ya que si hay gran resistencia la intensidad disminuye y la protección es insuficiente.

Propiedades de un material anódico Las propiedades que debe presentar un material anódico son las siguientes:  Un potencial de disolución lo suficientemente negativo como para polarizar la estructura de acero (que es el metal que normalmente se protege) a -0,80 V. Sin embargo, el potencial no debe ser excesivamente negativo ya que eso motivaría un gasto innecesario de corriente. El potencial práctico de disolución puede estar comprendido entre – 0,95 V y –1,7 V. 

Una tendencia pequeña a la polarización, no debe desarrollar películas pasivantes protectoras y debe tener un elevado sobrepotencial para la formación de hidrógeno.



Un elevado rendimiento eléctrico, expresado en Amper-hora por kg de material (A x h / kg) lo que constituye su capacidad de drenaje de corriente.



Un proceso de disolución anódica uniforme.

 Fácil adquisición y susceptible de fundir en diferentes formas y tamaños. 

Costo razonable, de modo que en conjunción con las características electroquímicas correctas, pueda lograrse una protección a un costo bajo por Ampere-año.

DISEÑO DE ÁNODOS DE SACRIFICIO El diseño de ánodos de sacrificio para proteger estructuras, estructuras sumergidas, así como submarinos y barcos requiere el conocimiento de la resistencia ohmica de éstos, aplicando la Ley de Ohm, estimando la corriente de salida y evaluando el número de ánodos requerido en la fase de diseño y más tarde, verificando si los ánodos instalados son los más adecuados. Las fórmulas de resistencia usadas en protección catódica y de mayor uso se detallan en la Tabla 1.

Cálculo de la resistencia De la ecuación de Dwight, la resistencia de un ánodo de forma cilíndrica en un electrolito es igual a la resistividad específica del electrolito y a algunos factores relacionados con la forma geométrica del ánodo.

Tabla1. Las fórmulas de resistencia usadas en protección catódica

Cálculo del número de ánodos y su duración Para conocer el número de ánodos que se van a necesitar para llevar a efecto la protección catódica, es fundamental determinar la intensidad total de corriente necesaria, la superficie a proteger y conocer la densidad de corriente de protección (Tabla N.º 2).

tabla 2. Densidades de corriente de protección en distintos medios agresivos Es conveniente, cuando se calcula la superficie de la estructura a proteger, observar si existe en ella posibles zonas de «sombra», motivadas por refuerzos o cualquier otra circunstancia, ya que hay que tener muy en cuenta estas zonas en el momento de hacer la distribución de los ánodos, de lo contrario estarán sometidas a la acción de la corrosión. La intensidad total necesaria para protegerla está dada por: I total = δcorriente x área a proteger Debemos tener en cuenta que cuando la estructura se encuentra con áreas mojadas y fangosas se calculan separadamente y luego se suman obteniéndose el total de corriente necesaria. I área mojada = δcorriente en electrolito x área mojada a proteger I área fangosa = δcorriente en fango x área fangosa a proteger

N ánodos = I total / Ia Otro factor a tener en cuenta es la vida de los ánodos. La vida para cada valor de I será en función del peso del ánodo y no del número que pudiera ser colocado

Radio de acción del ánodo Cada ánodo protege un área determinada que se determina por la relación : Ia ./ δcorriente

ÁNODOS DE SACRIFICIO DE MAYOR UTILIZACION •

ZINC

•

MAGNESIO (SUELOS)

•

ALUMINIO (AGUA DE MAR)

(SUELOS Y AGUA FRESCA)

ÁNODOS DE MAGNESIO o

Tienen un alto potencial con respecto al hierro y están libres de pasivación.

o

Están diseñados para obtener el máximo rendimiento posible, en su función de protección catódica.

o

Se utiliza en terrenos de baja resistividad con recubrimientos en mal estado e inclusive en terrenos de alta resistividad con recubrimientos que no demande demasiada corriente

o

No son recomendables para su utilización en agua de mar, ya que su elevada auto corrosión hace que los rendimientos sean muy bajos.

o

Se usan para proteger la mayoría de las estructuras metálicas enterradas, siendo esto su principal aplicación.

En la imagen se puede apreciar desgaste del ánodo de sacrificio luego de un determinado tiempo de uso.

ANODOS DE ZINC o

Alto rendimiento de corriente debido su potencial de disolución elevado.

o

Es aconsejable que su empleo quede limitado a las resistividades inferiores a los 5000 ohm-cm.

o

Cuidar su utilización en presencia de agua dulce a temperaturas arriba de 65°C, ya que en estas condiciones puede invertir su polaridad y hacerse catódico con relación al acero.

o

Se utiliza masivamente, sobre todo para la realización de la protección catódica en agua de mar.

o

Entre sus impurezas las más perjudiciales son el hierro (Fe) y el plomo (Pb). Se ha encontrado que porcentajes de hierro superiores al 0.01% causan la pérdida de actividad del ánodo

APLICACIONES: • Cascos de Embarcaciones Marinas • Tanques de Lastre. • Condensadores • Verticales de Pozos • Estructuras y Líneas Sumergidas • Ambientes de agua s salada s y/o presencia de vegetación

ANODOS DE ALUMINIO o

Por sus características electroquímicas, es el material idóneo para ser utilizado como ánodo de sacrificio, su empleo como tal es relativamente reciente.

o

Una de las desventajas del aluminio es la formación de una película de óxido de aluminio (pasivación anódica) que lo hace muy resistente a la corrosión y por tanto al "sacrificio“

o

Estos Ánodos suministran mayor eficiencia de corriente y menor consumo del Anodo que los Ánodos de Magnesio o de Zinc en áreas salinas acuosas, con lo cual se necesitan menos Ánodos para proteger una estructura dada.

APLICACIÓN: •

Protección de Embarcaciones Marinas.

•

Cascos de barcos.

•

Muelles.

•

Pilotes.

•

Estructura en agua salada donde sus características hidrodinámicas deben ser tomadas en consideración.

•

Los Ánodos de Aluminio son los más recomendables y económicos para la protección por corrosión en ambientes de aguas saladas donde las resistividades eléctricas son usualmente bajas.

Ventajas y desventajas de la protección catódica con ánodos de sacrificio Ventajas

Desventajas

Fácil de instalar

Corriente suministrada limitada

No se necesita de una fuente de corriente Ineficaz en ambientes con resistividad continua ni un regulador de voltaje.

elevada.

No provoca problemas de interferencia.

Costo inicial alto. Consumos de ánodos para superficies

Bajo costo de mantenimiento.

enterradas

mal

revestidas

y

sin

revestimiento en agua de mar . Permite obtener una distribución de Solo es aplicable a metales que muestran corriente uniforme.

la transición activo-pasivo en el medio en cuestión.

Se

puede

obtener

el

número

de Es díficil pasivar los acero en medios

ánodoscon en el sistema en operación.

reductores , como soluciones cloradas y de HCl, e incluso en muchos medios naturales.

Elaboración propia Fuente: Control de la corrosion (1989).tabla 9.12

Corriente impresa En este método se conecta el polo negativo de una fuente de alimentación de corriente continua (pura o rectificada) al metal a proteger y el polo positivo de dicha fuente a un electrodo auxiliar que puede estar constituido por chatarra de hierro, ferro-silicio, plomo-plata, grafito, etc . La chatarra va ganando electrones y oxidándose a su vez la estructura se mantiene protegida por un cierto tiempo hasta su reposición.

Esquema simplificado de la protección catódica con corriente impresa FUENTES DE CORRIENTE IMPRESA Unidades rectificadoras La unidad rectificadora está constituida por transformadores y celda rectificadora. El transformador permite obtener distintas potencias de salida, mediante regulación en el primario o secundario del mismo; por su parte, la celda rectificadora puede estar constituida con placas de selenio o diodos de silicio, con tendencia a utilizar cada vez más estos últimos. Estos aparatos se alimentan con corriente alterna. Si se trata de un rectificador monofásico (tal como se muestra en la figura),

estará

constituido

por

un

transformador monofásico T, alimentado en el primario a 110 o 220 V (tensión de la red de distribución).

ÁNODOS AUXILIARES (ground-bed) PARA LA PROTECCIÓN CATÓDICA CON CORRIENTE IMPRESA Todos estos ánodos van consumiéndose a mayor o menor velocidad con el paso de la corriente. Así, por ejemplo, la chatarra de hierro se consume muy rápidamente y el titanio platinado a un ritmo muy lento , acontinuación se nombra los ánodos auxiliares mas utilizados. • • • • •

Ferro – Silicio – Cromo Chatarra de hierro Grafito Titanio platinado Titanio – Oxido de titanio

PROPIEDADES DE LOS ÁNODOS AUXILIARES • • • • • •

Bajo consumo Densidad de corriente erogada elevada Pequeñas dimensiones Baja resistividad Buena resistencia mecanica Elevado potencial de ruptura

Para la utilización del sistema rectificador "ground-bed" deben ser considerados los siguientes factores: 

Tipo de condición de la estructura



Disponibilidad de suministro de energía eléctrica



Resistividad del suelo o del agua



Requerimiento de corriente



Equipos y materiales necesarios



Problemas de interferencia con otras estructuras



Recursos humanos calificados



Accesibilidad



Mantenimiento

FACTORES QUE AFECTAN LOS REQUERIMIENTOS DE CORRIENTE DE PC • • • • •

Temperatura pH del medio Superficie de Metal expuesta Grado de Aireación en el Ambiente Resistividad del Suelo

OTRAS FUENTES DE CORRIENTES Cuando se ha decidido por utilizar el sistema de corriente impresa, no se disponga en la zona de líneas de distribución de corriente eléctrica es posible utilizar otras fuentes como: Termogeneradores: Principio de la termocupla. Uso amplios en Medición de temperatura, Convierten Calor en electricidad DC sin partes móviles.

Paneles Solares Principio de Efecto fotoeléctrico en el cual un material

genera

carga

cuando

la

radiación

electromagnética (luz solar) incide en la superficie del material.

Ventajas

Limitaciones

Puede diseñarse para un amplio intervalo Puede causar problemas de interferencia de potencial y corriente. Un ánodo o lecho anódico puede Esta sujeto a rotura de la fuente de suministrarse una gran corriente.

corriente.

Con una sola instalación se pueden Requiere una inpección periódica y de proteger superficies muy grandes

mantenimiento.

Potencial y corriente variables.

Requiere una fuente de corrriente continua

Se puede utilizar en ambientes de Posibilidad resistividad elevada.

de

condiciones

de

sobreprotección con daños a recubriento y porblemas de fragilización por acción de hidrogeno.

Eficaz para proteger estructuras no Tiene costo elevado. recubiertas o mal recubiertas Ventajas y desventajas de la protección catódica mediante corriente impresa Elaboración propia .Fuente : http://www.frlp.utn.edu.ar/materias/protecmat/proteccioncatodica.pdf

Comparación de los sistemas

Protección catódica de ánodos de

Protección catódica con corriente

sacrificio

impresa

No requiere potencia externa

Requiere potencia externa.

Voltaje de aplicación fija

Voltaje de aplicación variable.

Amparaje limitado

Amperaje variable

Aplicable en casos de rquerimientos de Útil en diseño de cualquier requerimiento de corriente pequeña, económico hasta 5 A

corriente sobre 5 A

Útil en medios de baja resistividad

Aplicable cualquier medio.

La interferencia con estructuras enterradas Es necesario analizar la posibilidad de es prácticamente nula.

interferencia.

Solo se utilizan hasta un valor límite de Sirve para áreas grandes . resistividad eléctrica hasta 5000 ohm-cm Mantenimiento simple

Mantenimiento dificultoso. Resistividad eléctrica ilimitada. Costo alto de instalación

CONCLUSIONES  En la actualidad, está universalmente aceptado que la protección catódica es una guía tecnológica valiosísima para la economía, en la construcción y explotación de estructuras metálicas sumergidas o enterradas.

 La protección catódica por ánodos de sacrificio es uno de los métodos más usados para minimizar los efectos de la corrosión.  La protección catódica no es una ciencia exacta; los cálculos finales se basan en una densidad de corriente que ha demostrado ser la correcta en un área particular o bajo condiciones específicas.  Es necesario: √ Calcular el requerimiento total de corriente. √ Seleccionar el material más adecuado para la aplicación. √ Calcular el peso total de material requerido y el tamaño idóneo del ánodo para obtener la vida prevista con la corriente eléctrica requerida. √ Decidir sobre el método de fijación apropiado. √ Planificar la posición del ánodo para asegurar la protección adecuada en todas las áreas.  El sistema de protección catódica por corriente impresa tiene mayor eficiencia en comparación con el sistema de protección por ánodos galvánicos.  La ventaja más resaltante del sistema de protección catódica por corriente impresa, es evitar la corrosión externa, a pesar de no contar con revestimiento adecuado y encontrarse en un medio corrosivo. La desventaja en el sistema de protección catódica por corriente impresa es que cuenta con un costo constante de energía.

BIBLIOGRAFÍA  http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/publicaciones/geologia/Vol7_N13/Pdf/a06.pdf  http://www.frlp.utn.edu.ar/materias/protecmat/proteccioncatodica.pdf

 http://tecnologiatotal.net/wp-content/uploads/2015/01/TT-PP013_A_Proteccion_Catodica.pdf  Tesis : (PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA PARA CONTROL DE CORROSIÓN EXTERNA DE TANQUES SUMIDEROS ENTERRADOS USADOS EN LA PRODUCCIÓN DE PETRÓLEO PA V AYACU- LORETO", 2015)Autor: Carlos Alberto ESPINOZA HUAMANÍ 2015.

 Gonzalez, J. A. (1989). Control de la corrosión: estudio y medida por técnicas electroquímicas. España: GRAFIPREN.  http://www.frlp.utn.edu.ar/materias/protecmat/proteccioncatodica.pdf

 José A. González Fernández(1984). Teoría y práctica de la lucha contra la corrosión.España Madrid