¿Por que el hierro se corr oe? oe?
Ing. Nilo García Corzo
Puente Wuhu sobre el Yangtzé (10 km)
Para obtener los metales es necesario invertir una gran cantidad de energía
Para obtener los metales es necesario invertir una gran cantidad de energía
Desde el momento en que el metal es formado, este comienza a liberar la energía almacenada
Este proceso de liberación de energía es lo que conocemos como proceso de corrosión
Se puede definir la corrosión como un proceso mediante el cual el metal vuelve a su estado natural y que corresponde a una oxidación, y representa la conversión paulatina del metal en sus formas combinadas.
¿Qué hacer para evitarla o reducirla?.
•
El proceso corrosivo existirá siempre, en mayor o menor medida, quedándonos sólo
Ingeniería de la corrosión
Es la aplicación de la ciencia y arte para prevenir o controlar los daños causados por la corrosión en una forma segura y económica.
Costo de la corrosión y protección •
•
Es bastante alto pero puede ser reducido considerablemente mediante una adecuada prevención. La corrosión es un problema serio porque contribuye al agotamiento de nuestros recursos naturales.
Medio ambiente En la práctica todos los medios ambientes son corrosivos en algún grado por ejemplo – – – – –
el aire la humedad, aguas frescas, destilada, de mar y de minas, vapor y otros gases, ácidos minerales, ácidos orgánicos, etc.
En general materiales inorgánicos son más corrosivos que los orgánicos
DAÑOS POR CORROSION •
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Pérdida económica (directa e indirecta) Conservación de recursos (agotamiento de los reservas naturales) Costo por accidentes (seguridad humana) Costos debido al sobrediseño Costos de mantenimiento Pérdida por corte de servicio Pérdida de eficiencia
PRINCIPIOS DE CORROSIÓN Resistencia a la corrosión Disponibilidad
Costo
Material Resistencia mecánica
Apariencia Fabricabilidad
FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA A LA CORROSIÓN Electroquímica
Físicoquímica
RESISTENCIA A LA CORROSIÓN
Termodinámica
Metalúrgica
Expresiones para la velocidad de la corrosión • • • • • •
Los rates de corrosión se expresan en una variedad de formas. Pérdidas de peso Cambio de % en peso Miligramos por dm2 x día g/cm2 hora mm/año
Mils por año (mpy) mpy
534W
DAT
Donde : W = pérdida de peso en mg D = densidad del espécimen g/cm 3 A = área del espécimen en pulg2 T = es el tiempo de exposición en horas
PROCESO DE CORROSION Cuatro requisitos
Una diferencia de potencial entre dos elementos
El ánodo y el cátodo
La existencia de conducción eléctrica y electroquímica entre ambos y
La existencia de una reacción redox.
TIPOS DE ANODOS Y CATODOS Ánodos y cátodos existen en toda la superficies de hierro y acero, formados por imperfecciones en la superficie, falta de homogeneidad, cortes frescos y formación de óxido rojo Dos metales diferentes en contacto Metal sometido a tensiones Corte fresco de un metal versus metal antiguo Variaciones en densidad y composición Oxido micro escala versus acero •
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TIPOS DE CELDA GALVANICA
CELDAS DE CONCENTRACIÓN
Reacción catódica O2 + 2H2O + 4e- 4OH→
Acelerada
TIPOS DE CELDA GALVANICA
CELDA DE AIREACIÓN DIFERENCIAL
Fase gaseosa-aire oxígeno s a G
Fase líquida :oxígeno-agua High O2 OH
O2
H H+
H2
OH
+ Catodo+
tubérculo poroso formado por Los productos de d reacción i O2 H
e
Fe (OH)3 Fe3O4
e
Fe++
+ Anodo +
Fase sólida
H+
H2
Fe(OH)2 Crater
High O2
H+
e
e
u q i L
OH
+ Catodo + o d i l o S
OXIGENO DISUELTO Primera causa de la corrosión Picaduras por oxígeno
Ocurre en cualquier parte del sistema
Fácil de reconocer por la formación de picaduras profundas
EFECTOS DE LA CONCENTRACION DE OXIGENO Un aumento de la Temperatura incrementa La corrosion
7.5
49 C Velocidad de corrosión,en mm por año de penetración
32 C
5.0
9 C
2.5
0
0
2
4 Oxígeno, ppm
6
8
10
Corrosión por el agua debida a:
CO2 (g)
Acidez(pH)
PROCESO DE CORROSION Paso de ePara completar El circuito
Los electrones Fluyen de ánodo A cátodo
-
+ corriente
Cátodo (protegido)
Electrolito (Agua + sal)
Ánodo (corrosión)
Las reacciones de oxidación (corrosión) ocurren en el ánodo
Flujo de e-
Fe ++
Fe - 2e
Fe++
Flujo de e-
2e-
OH OH -
Flujo de e-
2eFe
Fe++ + 2OH-
++
Fe(OH)2
Ionización de hierro por Formación de la forma pérdida de 2eInestable: Fe(OH)2
O2 Fe(OH) H2O Fe(OH) H2O Fe(OH) Fe(OH)
2 2 2
8 e-
2
4Fe(OH)2 + 02 + 2H2O
4Fe(OH)3
Fe(OH)2 se combina con el oxígeno y forma óxido
Reacción de reducción (protección) ocurren en el cátodo
+
Flujo de e-
+
e-
H+
e-
H+
2H+ + 2e
H2
Flujo de e -
eeee-
H+ H+ H+ H+
4H+ + O2 + 4e
+
O2
2H2O
eeee-
Flujo de e-
H2O H2O
O2 + 2H2O + 4e
O2
4OH-
Electrones que llegan al cátodo neutralizan algunos Iones hidrógeno
Mecanismo de corrosión del acero
Los mecanismos de corrosión pueden evitarse impidiendo la formación de microceldas presentes en aleaciones de acero
ACCIÓN DE LOS CLORUROS 4OH-
O2 + 2H2O + 4e 2FeO
Fe++ + 4e-
2Fe++ + 4OH-
2FeO + O2 + 2H2O
Fe+++
+ e-
4Fe++ + O2 + 2H2O
Fe+++ + 4Cl-
K
(O2 )
4OH-
O2 + 2H2O + 4e Fe++
( Fe ) 2 (OH ) 4
x 4
K
4Fe+++ + 4OH-
FeCl4-
( Fe
) 4 (OH ) 4
4
( Fe ) (O2 )
Formación de complejo muy estable que
Consume iones Fe+++ acelerando la disolución del hierro
Pilas de aireación diferencial
La corrosión depende del tipo de terreno y de la humedad. La heterogeneidad del terreno. Las zonas mas aireadas serán cátodos y las menos ánodos La corrosión se localiza en la zona menos aireada
Corrosión Clasificación Corrosión por combinación directa (oxidación) Corrosión electroquímica. Corrosión húmeda y seca Corrosión en baja y alta temperatura.
Tipos Corrosión uniforme Corrosión galvánica Corrosión en hendiduras, picaduras y agrietamiento Corrosión intergranular Disolución selectiva Corrosión por erosión Corrosión bajo tensiones
Corrosión uniforme Es la corrosión que aparece en toda la superficie causando la pérdida uniforme de espesor.
Prevención • Uso de materiales apropiados, para aumentar la resistencia a este tipo de corrosión se sugiere elevar los tenores de Cr, Ni y Mo. • Inhibidores • Protección catódica
Corrosión Galvánica Se produce cuando hay una reunión de dos metales que presentan diferentes potenciales eléctricos Prevención corrosión galvánica • Seleccionar combinaciones de metales por sus potenciales Evitar el efecto del área • desfavorable • Aislar metales disimilares Aplicar recubrimientos • Añadir inhibidores • • Evitar uniones de rosca • Diseño de partes anódicas fácilmente reemplazables • Instalar un tercer metal mas anódico
Corrosión en hendiduras La corrosión se concentra en huecos, delgadas ranuras, resquicios o hendiduras y de hecho en dondequiera que se tiene algún tipo de discontinuidad geométrica que influye en la disponibilidad del agente corroyente.
Corrosión por Agrietamiento Se presenta dentro de las grietas, uniones, intersticios, donde la renovación del medio corrosivo solo puede producirse por difusión. Ejem. Superficies de empaquetaduras, uniones planas, grietas bajo pernos o cabezas de remaches. El contacto con superficies no metálicas también pueden causar corrosión por agrietamiento.
Prevención Usar uniones soldadas Diseñar depósitos para completo desagüe Remover los depósitos continuamente Usar empaquetaduras sólidas (teflón) • • • •
Corrosión filiforme Es un tipo especial por agrietamiento. En la mayoría de instancias ocurre debajo de películas protectoras. Los filimentos pardo rojizos son fácilmente visibles.
Prevención No hay una forma completa de prevenirla, mas que una constante inspección de las películas de protección. •
Corrosión por picaduras Ataque localizado, que se concentra en zonas muy pequeñas de la superficie, que resulta en agujeros en el metal. Por lo tanto, es una de las formas de corrosión más destructiva. Es un proceso autocalifico, principalmente en soluciones que contienen iones cloruro. Los aceros inoxidables son mas susceptibles al ataque por picaduras. Esta asociado por condiciones de estancamiento.
Prevención Aplicar los métodos para combatir corrosión por grietas •
adiciones de Cr, Mo y Ni aumentan la resistencia a la corrosión. •
A veces es preferible usar aceros al carbono
•
Corrosión intergranular Ataque preferente de los límites de grano o zonas adyacentes o limites del grano metal (intercristalino). Los bordes de granos son generalmente anódicos. El ataque es localizado y adyacente a los bordes de grano, donde existe alguna impureza, enriquecimiento o agotamiento de uno de los elementos de aleación.
Prevención Soldar los aceros con arco eléctrico Tratamiento térmico a las partes soldadas Usar aceros inoxidables estabilizados. Ti y Hf Usar aceros con bajo contenido de carbono Selección de un alto contenido de Cr • • • •
Lixiviación selectiva Cuando uno o mas componentes de la aleación se ataca preferentemente. Ejem, es la disolución selectiva del Zn en los latones. Se produce en atmósferas altamente ácidas.
Zn
Cu
Prevención Por medio de la protección catódica Eliminando la presencia del oxígeno del medio ambiente Agregando inhibidores tales como As, Sb, P • •
Corrosión - Erosión Es consecuencia de las colisiones de las partículas inmersas dentro de un agente corroyente o pasta fluida. En este caso, la capa pasiva esta continuamente bajo los efectos corrosivos y abrasivos, simultáneamente. Formación de burbujas de vapor (cavitación) o por deslizamiento de metales entre si (corrosión bajo fricción).
Prevención Efectuar un tratamiento térmico de alivio de tensiones Reducir la agresividad del medio ambiente Selección de materiales resistentes al medio corrosivo Aplicar protección catódica cuando se esta seguro que el deterioro es corrosión • • • •
Corrosión bajo tensiones Son producto de la acción de un agente corrosivo y tensiones de tracción que pueden ser aplicas o residuales, factores que provocan fisuras granulares o intergranulares. Se propagan al interior del metal provocando su fractura.
Peso
Las tensiones residuales pueden ser el resultado de un proceso de conformación o dejada en el metal en el momento de su incorporación a una estructura. Ejm remaches o soldadura. Medio corrosivo Prevención Efectuar un tratamiento térmico de alivio de tensiones Reducir la agresividad del medio ambiente Selección de materiales resistentes al medio corrosivo (alto contenido de Ni) Aplicar protección catódica cuando se esta seguro que el deterioro es • • • •
SINERGISMO
EL EFECTO COMBINADO DE LOS
FACTORES ES MULTIPLICADO Y NO ADICIONADO
CONTROL DE LA CORROSIÓN El diseño y los métodos de protección contra la corrosión se basan en evitar la existencia de alguno de estos cuatro elementos.
Si se consigue no exista pila de corrosión y, en consecuencia, ésta no tendrá lugar.
Monitoreo de la corrosión
Sondas
de corrosión
Protección Catódica Se basa en la existencia de un potencial de inmunidad al cual es suficiente llevar el metal a proteger para detener la corrosión (Diagrama de Pourbaix)
Marcel Pourbaix (1904-1998), químico ruso que trabajó en corrosión en la Universidad de Bruselas. Era también pianista.
COMO CALCULAMOS E INTERPRETAMOS UN DIAGRAMA DE POURBAIX •
Este se lee en los ejes de X ,Y:
En Y, se encuentra el potencial, el cual calculamos con la eq. de Nernst, h= hidrogeno
En X, se encuentra el pH con la función de –log del H+ concentración de iones pH = − log[H + ]
Diagrama de Pourbaix y la corteza terrestre l a i c n e t o P
Demasiado reactivo
Demasiado ácido
Zona estable
Demasiado alcalino
Demasiado reactivo pH
El diagrama del hierro Fe3+ Fe(OH)3
Zona estable
Fe2+
Fe(OH)2
Fe
No debería haber hierro en la corteza
DIAGRAMA POURBAIX
CORROSION
PASIVIDAD
INMUNIDAD
Protección por ánodos de sacrificio La estructura por proteger se pone en contacto electrolítico con un metal de potencial más bajo, que se corroe. El metal que actúa de ánodo se sacrifica en favor del que actúa como cátodo
DISEÑO Y CORROSION Cualquier diseño empieza con un croquis en una hoja de papel. Poco a poco se van especificando materiales, métodos de protección, normas de materiales y procesos, etc. El proceso acaba con especificaciones, y planos de construcción. En todo este proceso, los proyectistas pueden cometer errores de diseño, normalmente por falta de información suficiente, que muchas veces acaban en corrosión.
LA VIDA EN SERVICIO Rectificar es barato si estamos en la etapa de diseño, que tiene un cierto coste. En la etapa de construcción es mucho más caro. Desgraciadamente se presta poca atención en la etapa de diseño a la protección y la corrosión. Pero eso debe corregirse porque evitará costes muy altos y hasta responsabilidades.
CRITERIOS PARA EVITAR LA CORROSIÓN a.- Emplear materiales homogéneos de igual potencial b.- Evitar el contacto eléctrico entre los materiales c.- Evitar el contacto electroquímico, d.- Impedir la reacción redox •
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