INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA.
UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO.
INGENIERÍA ELÉCTRICA.
TESIS
ESTUDIO TÉCNICO DEL ANÁLISIS DE LA
CORROSIÓN EN SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA.
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTAN:
BASILIO GUTIÉRREZ ABEL.
ROMERO RODRÍGUEZ YOCELIN.
ASESORES:
ING. NAVARRO BUSTOS RUBÉN DE JESÚS.
M. EN C. HERNÁNDEZ LEDESMA DAVID.
A mi madre, por el apoyo que me ha dado a lo largo de mi formación profesional. Siempre esforzándose por hacer de mí una persona de bien, brindándome incondicionalmente lo mejor, por ser un ejemplo de fortaleza, lucha y perseverancia.
A mi hermano, de quién también he recibido apoyo como familia.
A Yocelin, porque entre los dos cumplimos el objetivo de terminar este trabajo, por el apoyo y cariño que me has dado y ser una persona especial para mí.
A mis profesores que a lo largo del camino recorrido me han transmitido sus conocimientos y me han preparado con las herramientas básicas para enfrentar la vida profesional.
A todos mis familiares, amigos y compañeros que creyeron en mí y me brindaron sus consejos.
A todos… ¡Muchas Gracias!
Agradezco a mi familia que sigue conmigo, a pesar de no estar de acuerdo con mi gusto por la carrera, no me negaron el deseo de estudiar en un ambiente diferente al que se acostumbra en el lugar donde crecí.
Gracias a mis padres por el apoyo incondicional en lo personal y en mi formación profesional; a mi mamá por exigirme más de lo que daba, por siempre llevarme al límite; a mi papá por no dejarme sola y por darme ese ejemplo de siempre dar más, sin importar lo que diga la gente.
Gracias a Melissa (mi hermana) ella me enseñó a no dejarme caer, a seguir adelante, que no hay límites, que NUNCA se dice NO PUEDO.
Gracias a ti Abel por el apoyo que me das, por seguir cerca de mí y por el cariño que me has brindado.
Y a pesar de las trabas de ser mujer, de las preferencias a las que me enfrente; ni mi familia, amigos, compañeros y profesores me negaron el apoyo incondicional, en mi formación profesional.
Y a todos aquellos que me dijeron que iban a estar conmigo y ahora no están, gracias por quitarse del camino y enseñarme siempre algo nuevo.
¡Muchas gracias!
ÍNDICE
Introducción. VI
Objetivo. IX
Justificación. IX
Capitulo I. Descripción del sistema de tierra y sus características fundamentales.
1.1 Origen de las corrientes de tierra. 2
1.1.1 Importancia de la dispersión a tierra de las
sobrecorrientes. 3
1.2 Peligrosidad de la corriente eléctrica. 4
1.2.1 Efectos fisiológicos. 4
1.2.2 Límites de peligrosidad de la corriente eléctrica. 4
1.2.2.1 Sensibilidad del cuerpo ante las corrientes. 5
1.2.3 Tensión de paso 6
1.2.4 Tensión de contacto 6
1.3 Sistema de tierra. 7
1.3.1 Instalación de puesta a tierra. 7
1.3.2 Partes generales de un sistema de tierra. 8
1.4 Tipos de electrodos utilizados en la puesta a tierra. 8
1.4.1 Sistemas de electrodos. 9
1.5 Clasificación de sistemas de tierra. 9
1.6 Condiciones de los terrenos. 10
1.7 Normatividad. 11
1.7.1 Norma Oficial Mexicana NOM 001 SEDE 2012. INSTALACIONES ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN). Artículo 250. Puesta a Tierra y Unión.
12
1.7.2 Norma Oficial Mexicana NOM 001 SEDE 2012.
INSTALACIONES ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN).
Artículo.921 Puesta a tierra
14
Capítulo II. Causas y efectos de la corrosión.
2.1 Qué es la corrosión. 19
2.1.1 Por qué se presenta la corrosión en los metales. 19
2.1.2 Clasificación de corrosión. 20
2.2 Corrosión electroquímica. 23
2.2.1 Electrodo de referencia. 25
2.3 Corrosión en suelos. 29
2.3.1 Agresividad del suelo en función de su resistividad, PH
Y Potencial Redox. 30
2.3.2 Corrosión por aireación diferencial. 32
2.3.3 Corrosión por par galvánico. 33
2.3.4 Corrientes vagabundas. 34
2.3.5 Medición de la resistividad del suelo. 35
2.3.5.1 Determinación de la resistividad por el método de
2.4 Protección de los metales frente a la corrosión. 38 Capítulo III. Solución técnica para reducir la corrosión.
3.1 Fundamentos de la solución propuesta. 40
3.1.1 Protección catódica. 40
3.1.2 Protección catódica por el método de ánodos de
sacrificio. 40
3.2 Datos del estudio. 41
3.2.1 Especificaciones de los materiales a emplear. 42
3.2.1.1 Especificaciones del ánodo de zinc. 42
3.2.1.2 Especificaciones del cátodo de cobre. 43
3.3 Procedimiento de cálculo para el diseño de protección
catódica por ánodos de sacrificio. 44
3.3.1 Vida útil de los ánodos. 44
3.4 Tratamiento químico del suelo 47
Capítulo IV. Análisis Costo-Beneficio de la solución técnica.
4.1 Datos del sistema de tierra. 50
4.2 Cálculo del número de ánodos de sacrificio a
emplear. 64
4.3 Costo del material a utilizar. 67
4.3.1 Análisis sin emplear ánodo de sacrificio. 67
4.3.2 Análisis empleando ánodos de sacrificio para
protección de todo el sistema de tierra. 67
4.4 Análisis de costos de las propuestas. 68
Capítulo V. Conclusiones y recomendaciones. Anexo.
ÍNDICE DE FÍGURAS
Figura 2.1. Dirección del flujo de corriente entre un ánodo y un cátodo en una celda de corrosión. [Fuente: Más allá de la herrumbre, Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 30]
24
Figura 2.2. Corrosión por aireación diferencial. Corrosión de una tubería que atraviesa terrenos de naturaleza diferencial.
[Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 113]
32
Figura 2.3. (a) Corrosión de una conducción principal de acero por la conexión de una derivación de cobre. (b) Disolución del zinc de una tubería de acero galvanizado que ha sido conectada a una conducción principal de acero. [Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 114]
33
Figura 2.4. Mecanismo de corrosión de una tubería por efecto de las corrientes vagabundas que provienen de un sistema de tracción eléctrica. [Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 115]
34
Figura 2.5. (a) La resistividad (�) en Ω-m es numéricamente igual que la resistencia (R) en ohms en un cubo de un cm de arista. (b) Resistencia de un sólido rectangular. (c) Caja de suelo. [Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 117]
35
Figura 2.6. Medición de la resistividad del suelo por el método de Wenner o de los cuatro electrodos. La distancia (b) o sea la profundidad a la que está enterrada el electrodo (barra de cobre o acero) debe ser pequeña comparada con la distancia (a) entre los electrodos. [Fuente: CFE, NRF-011-CFE- Sistema de Tierra para Plantas y Subestaciones Eléctricas, página 12]
36
Figura 4.1. Dimensiones del terreno. [Fuente: Basilio y Romero] 50
Figura 4.2. Malla de tierra calculada. [Fuente: Basilio y Romero]
Figura 4.3. Características del ánodo de sacrificio. [Fuente:
Conduzinc, www.conduzinc.com] 61
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Serie electroquímica de los metales.
[Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 30]
28
Tabla 2.2. Grado de agresividad del suelo en función de la resistividad. [Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 110]
30
Tabla 2.3. Grado de agresividad del suelo por bacterias sulfato-reductoras en función del potencial redox. [Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 111]
31
Tabla 2.4. Determinación de la agresividad de suelos. [Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 112]
31
Tabla 3.1. Composición química de ánodos de zinc (valores en porcentaje en peso). [Fuente: PEMEX, NRF-047-PEMEX-2007 Diseño Instalación y Mantenimiento de los Sistemas de Protección Catódica, página 29]
43
Tabla 3.2. Propiedades electroquímicas de ánodos de zinc.
[Fuente: PEMEX, NRF-047-PEMEX-2007 Diseño Instalación y Mantenimiento de los Sistemas de Protección Catódica, página 29]
43
Tabla 3.3. Propiedades electroquímicas de ánodos de sacrificio. [Fuente: PEMEX, NRF-047-PEMEX-2007 Diseño Instalación y Mantenimiento de los Sistemas de Protección Catódica, página 14]
Tabla 3.4. Consumo de ánodos. [Fuente: PEMEX, NRF-047-PEMEX-2007 Diseño Instalación y Mantenimiento de los Sistemas de Protección Catódica, página 16]
46
Tabla 3.5. Características del material de relleno para ánodos galvánicos. [Fuente: PEMEX, NRF-047-PEMEX-2007 Diseño Instalación y Mantenimiento de los Sistemas de Protección Catódica, página 28]
47
Tabla 4.1. Constante de materiales. [Fuente: CFE, NRF-011-CFE-2004 Sistema de Tierra para Plantas y Subestaciones Eléctricas, Página 17 de 24]
52
Tabla 4.2. Primera condición para el sistema de tierra. [Fuente: Basilio y Romero]
60
Tabla 4.3. Segunda condición para el sistema de tierra. [Fuente: Basilio y Romero]
61
Tabla 4.4. Tercera condición para el sistema de tierra. [Fuente: Basilio y Romero]
62
Tabla 4.5. Precio de los materiales. [Fuente: Basilio y Romero] 67
Tabla 4.6. Costo de la instalación sin ánodos de sacrificio.
[Fuente: Basilio y Romero]
67
Tabla 4.7. Costo de la instalación con 7 ánodos de sacrificio.
[Fuente: Basilio y Romero]
68
Tabla 4.8. Inversión a 24 años de un sistema sin protección.
[Fuente: Basilio y Romero]
68
Tabla 4.9. Inversión a 24 años de un sistema con protección.
[Fuente: Basilio y Romero]
Introducción.
Un sistema de tierra es la principal protección para limitar las tensiones impuestas por descargas atmosféricas, sobretensión en la línea, contacto no intencional con líneas de tensión mayor y estabilizar la tensión a tierra durante la operación normal.
Actualmente, los sistemas de puesta a tierra que sufren problemas de corrosión se ven perjudicados por diversos factores que producen el deterioro de los mismos.
Algunos de estos factores pueden ser producidos por el aire en las fracturas o por el agua, estamos hablando de la producción de un exceso de humedad producido en el sistema. Pero hay que recordar que existen dos tipos de corrosión, corrosión química y por la unión de dos o más conductores con diferentes niveles de conductividad.
Para dar solución a la problemática anterior el sistema debe tener las características de ser un circuito de baja impedancia desde cualquier punto del alambrado.
En la operación normal del sistema de tierra y bajo las condiciones que es instalado se presentan los efectos de corrosión, en secuencia un incremento de la impedancia del sistema.
Los sistemas de tierra como elemento de protección primaria requieren de su diseño y construcción, cumplir con las condiciones que establecen la norma y la ingeniería. Uno de los elementos agresivos al sistema es la corrosión que afecta severamente su nivel de protección, razón por la cual el presente estudio describirá las causas y consecuencias de este fenómeno y la forma de disminuir sus efectos nocivos.
Los circuitos y sistemas eléctricos se conectan a tierra para:
Limitar la magnitud de tensión excesiva, por ondas de entrada en las líneas de mayor tensión y por descargas atmosféricas.
Da facilidad de apertura a los dispositivos de protección, instalados y para proteger los conductores del circuito; en caso de fallas a tierra.
A su vez esto proporciona:
Seguridad para los usuarios.
Seguridad para los equipos conectados al sistema.
La tierra dentro de las instalaciones eléctricas, está involucrada en la parte de diseño, construcción y operación del sistema eléctrico; un asunto de seguridad industrial y salud ocupacional.
Un diseño inadecuado o mal montaje de un sistema de puesta a tierra puede derivar en la aparición de sobretensiones debido a que no se está drenando correctamente a tierra estos excesos de tensión, en consecuencia esto afecta el aislamiento y vida útil de los equipos. Por otra parte y más importante aún, una mala instalación expone a los usuarios a tener el riesgo de un accidente causado por choque eléctrico que pueden causar serias heridas e incluso la muerte.
Es deseable que en las empresas con grandes instalaciones eléctricas (de cualquier tipo) cuenten con un sistema de tierra, además de personal con conocimiento y experiencia técnica para dar mantenimiento a este tipo de instalaciones.
La Norma Oficial NOM-001-SEDE-2012 especifica que los sistemas de tierra en las instalaciones eléctricas deben tener un máximo de 25 ohm de resistencia y de este valor hacia abajo hasta 5 ohm.
Objetivo.
El presente estudio describirá las causas y efectos de la corrosión en un sistema de puesta a tierra y a su vez la forma de disminuir estos efectos nocivos.
Justificación.
Un sistema de puesta a tierra es parte fundamental dentro de las instalaciones eléctricas, ya que se utiliza como medio protector para drenar las corrientes de falla y sobretensiones.
Si no se cuenta con un sistema de tierra que drene estos flujos de corriente y tensión excesivos, se corre el riesgo de tener pérdidas humanas así como de equipo eléctrico.
Capítulo
I
Descripción del sistema de tierra y
sus características fundamentales.
1.1 Origen de las corrientes de tierra.
Las corrientes de tierra pueden tener dos orígenes, uno tipo natural y otro producido por la acción del hombre.
Se conoce como origen natural a las corrientes que se efectúan por la acción de descargas atmosféricas, estas son originadas por efectos de ionización, los cuales se deben a los roses constantes de moléculas de aire que a diferentes temperaturas tienen interacción, es decir, cuando los gases presentes en el aire se calientan tienden a elevarse hacia la atmosfera, mientras que el aire frío tiende a descender; en esta interacción se produce el rose de distintas partículas, lo cual provoca la ionización del aire, estas a su vez van creando capas con diferencias de potencial entre ellas. En las nubes en la parte inferior se va acumulando la carga negativa, cuando se rompe la rigidez dieléctrica entre la tierra y la atmosfera, se producen las descargas atmosféricas.
El hombre a lo largo de la historia ha utilizado como polo eléctrico al terreno, con el propósito de drenar los excesos de corriente, producidos por fallas en los sistemas eléctricos de corriente continua y de corriente alterna.
Las corrientes de tierra también tienen origen debido a los defectos de aislamiento en los equipos eléctricos, en el caso de las líneas de transmisión y distribución también se presenta debido a la caída de rayos sobre las líneas aéreas originando corrientes de impulso de elevada magnitud.
El origen de conducción de corriente eléctrica a través de la tierra es posible debido a las características de conductividad natural. Esta conductividad en los casos más favorables alcanza valores de hasta cinco millones de veces menor que los conductores metálicos.
1.1.1 Importancia de la dispersión a tierra de las sobrecorrientes.
El hecho de que la tierra conduzca corriente eléctrica es de suma importancia para los sistemas eléctricos que el hombre construye, ya que participa de diversas maneras en el proceso central del sistema particular. Un ejemplo de lo anterior es el caso de la protección de equipos, el valor de la intensidad de corriente que es enviada a tierra llega a ser del orden de kiloamper (kA), en el caso de que una descarga atmosférica tenga lugar sobre la red eléctrica, no se puede conocer la magnitud de corriente pero se puede estimar.
Los efectos eléctricos, magnéticos, térmicos y fisiológicos que se originan durante este proceso (traspaso y circulación de corrientes dentro de la tierra) son trascendentes; afecta en la eficiencia y economía del sistema eléctrico en cuestión, además se consideran los aspectos de seguridad para los seres vivos.
Algunos de los campos magnéticos que forman las sobrecorrientes naturales, son de vital importancia y trascendentes en el área geoelétrica, pues contribuyen en la construcción de teorías tecnológicas sustantivas y en la explicación del mecanismo del transporte de la electricidad a través del material rocoso.
1.2 Peligrosidad de la corriente eléctrica.
Cuando circula corriente eléctrica a través de un medio conductor y tierra, la interacción produce fenómenos de naturaleza eléctrica (flujos de electrones), magnética (atracción o repulsión magnética) y térmica.
En el caso de que el medio conductor sea una persona, los fenómenos anteriores llegan a ocasionar problemas de salud e incluso la muerte.
1.2.1 Efectos fisiológicos.
La reacción que puede existir en el cuerpo humano al paso de la corriente.
Agarrotamiento muscular.
Alteración del ritmo cardiaco.
Fibrilación ventricular.
Quemaduras.
1.2.2 Límites de peligrosidad de la corriente eléctrica.
Las corrientes más peligrosas son aquellas de baja frecuencia, en las cuales encontramos 50 y 60 Hz.
El paso de la corriente eléctrica a través del cuerpo humano produce reacciones fisiológicas importantes. Para el cuerpo humano se considera peligroso el paso de una corriente mayor a 10 mA.
El trayecto más peligroso es el que afecta directamente al corazón, el cual es de la mano izquierda al pecho.
1.2.2.1 Sensibilidad del cuerpo ante las corrientes.
A partir de las investigaciones del Dr.Heinrich Friedrich Weber (1843 - 1912) sobre los efectos fisiológicos sobre el cuerpo humano debido al paso de corrientes eléctricas, muchos investigadores han continuado desarrollando su trabajo.
Dentro de la región de la técnica de la seguridad se indican seis rangos de influencia fisiológica considerable:
1. Con intensidades de corriente de hasta 25 mA.
1 mA o menor, apenas es perceptible un cosquilleo.
5 mA o menores, la sensación que se presenta es de adormecimiento en las manos así como un débil entumecimiento.
15 mA o menores, se percibe una sensación de calambres y se inician las convulsiones. En este nivel la persona aún es capaz de soltar voluntariamente la fuente de energía.
Entre 15 y 25 mA, aquí se presentan convulsiones y la persona no es capaz de soltarse por voluntad propia.
2. Intensidades de corriente de entre 25 y 80 mA.
Con valores entre 25 y 50 mA, se presenta el aumento de la presión sanguínea he irregularidades en el funcionamiento del corazón.
Con intensidades entre 50 y 80 mA, se inicia la fibrilación del corazón, se interrumpe el bombeo y la sangre deja de circular produciendo la pérdida del conocimiento.
3. Intensidades de corriente entre 80 mA y 3 A.
4. Intensidades de corriente entre 3 y 10 A efectivos.
La pérdida del conocimiento y paro pulmonar conducen a la muerte inmediata.
5. Intensidades superiores a 10 A.
Se produce el efecto de calentamiento de tejido orgánico originando la cocción de líquidos y tejidos del cuerpo, y esto puede derivar en la carbonización de sustancias del cuerpo.
6. Corrientes por arco eléctrico.
Cuando la persona es afectada por un arco eléctrico el calor producido llega a encender su ropa originando efectos de flama lo cual produce quemaduras severas en la superficie de la piel teniéndose casos de muerte por quemaduras en la superficie del cuerpo.
1.2.3 Tensión de paso.
Es la diferencia de tensión en la superficie, que experimenta una persona con los pies separados a una distancia de 1 m, sin estar en contacto con ningún objeto puesto a tierra, se produce cuando se encuentra expuesto a un gradiente de potencial máximo. El gradiente de potencial en una región coincide con el valor más elevado que puede alcanzar una tensión de paso.
1.2.4 Tensión de contacto.
1.3 Sistema de tierra.
Un sistema de tierra, es un conjunto de elementos conectados a la parte metálica no conductora de corriente eléctrica de equipos eléctricos y electrónicos, que permiten conducir, drenar y disipar a tierra física una corriente no deseada, para evitar que sufran daño, en caso de una corriente de falla.
Se debe instalar un sistema de puesta a tierra por cuestiones de seguridad, ante una descarga atmosférica o un corto circuito, sin sistema de puesta a tierra las personas estarían expuestas a una descarga eléctrica, los equipos recibirían niveles de tensión y corriente que afectarían de manera drástica su funcionamiento. De no contar con sistema de puesta a tierra, en caso de que las corrientes de falla no tuvieran un camino a través del cual drenarse, éste exceso de corriente buscará el camino de menor resistencia para continuar su trayecto, el cual puede incluir a las personas.
1.3.1 Instalación de puesta a tierra.
Una instalación de puesta a tierra es aquella instalación eléctrica que tiene como misión derivar la corriente de falla hacia la tierra, a través del contacto con ella.
La resistencia de puesta a tierra, que existe entre una toma de tierra y un punto lo suficientemente alejado del terreno, como para que su potencial no se modifique sensiblemente cuando circule una corriente por el electrodo a este punto se le denomina punto de potencial cero y es considerado como el origen o referencia de los potenciales de todos los elementos.
La resistencia de puesta a tierra se ve constituida por los siguientes factores:
La resistencia de los conductores que forman la conexión con los electrodos artificiales.
La resistencia del electrodo artificial.
1.3.2 Partes generales de un sistema de tierra.
Toma de tierra. Está constituida por un electrodo artificial o conjunto de ellos, que se encuentran en contacto con el suelo y a través se introduce la corriente a la tierra.
Línea de enlace con la toma de tierra. Es el punto de unión entre el electrodo artificial y la puesta a tierra.
Borne principal de tierra o punto de puesta a tierra. Es el dispositivo de conexión que se presenta entre: los conductores de tierra, los conductores de protección, los conductores de equipotencialidad principales y los conductores de puesta a tierra funcional.
Conductores de protección. Se encargan de unir la estructura metálica no portadora de corriente con el conductor de tierra.
1.4 Tipos de electrodos utilizados en la puesta a tierra.
Hay dos tipos de electrodos: artificiales y naturales. Los artificiales son creados con el propósito de obtener una puesta a tierra y los electrodos naturales que son masas metálicas que pueden existir con un fin distinto al anterior.
Artificiales:
Son metales inalterables a la humedad y a la acción química del terreno, como por ejemplo acero con capa exterior de cobre, hierro galvanizado, cobre, hierro sin galvanizar; con protección catódica o fundición de hierro.
Conductores:
Conductor de cobre
Conductor de aluminio
Placas: de cobre o acero galvanizado y son enterradas verticalmente y de superficie mayor de 0.5 m2.
Cuadradas
Rectangulares
Naturales:
Formados por red de conducciones metálicas, están formados por pilares metálicos de edificios interconectados por estructura metálica enterrados a cierta profundidad.
1.4.1 Sistemas de electrodos.
Cuando la corriente de tierra no es muy intensa y el equipo o elementos por conectar no están muy separados entre sí, ni de un electrodo, la puesta a tierra puede hacerse por medio de ese único electrodo, con la forma geométrica más conveniente, es decir, la que ofrezca mejor eficiencia y requiera un menor gasto; sin embargo, cuando, por el contrario, la corriente a tierra es muy elevada y todos los medios de servicio y elementos por conectar a tierra estén distribuidos sobre una superficie extensa, se necesita utilizar varios electrodos y conectarlos de manera que trabajen en paralelo, integrándose de esta manera los llamados electrodos múltiples. Así, se integran sistemas de electrodos con un único tipo de electrodos elementales (con varillas tipo copperweld, con bandas, con anillos, etcétera), o bien, con electrodos elementales de diferentes tipos (varilla de copperweld y bandas, semiesfera y anillo, etcétera).
1.5 Clasificación de sistemas de tierra.
El sistema de puesta a tierra cuenta con dos grandes clasificaciones.
La segunda, es la que distingue la instalación de una puesta a tierra de servicio y un sistema de tierra de protección. En las instalaciones de puesta a tierra de servicio sólo se tiene para efectos técnicos, un ejemplo de ello es un transformador en conexión estrella referida a tierra. Los sistemas de tierra de protección se usan con fines de protección para los seres vivos.
1.6 Condiciones de los terrenos.
Las condiciones del terreno es un factor importante a considerar ya que a través de él va a circular el flujo de corriente de falla, a éste fenómeno se le conoce como sistema geoeléctrico y consiste en la disipación de la corriente a través del volumen de las dimensiones del terreno, en el cual, se puede calcular la resistencia a la propagación que tiene el electrodo. Esta propagación se conoce a partir del valor de conductividad del terreno, el cual varía según las condiciones geológicas y geofísicas, teniéndose dos vertientes: terreno homogéneo y terreno heterogéneo.
El primero de los casos, es aquel en el cual, el terreno posee la misma naturaleza geológica y geofísica en el mismo volumen de tierra ilimitado por todos lados. Sin embargo, en la mayoría de los casos se presenta el de naturaleza heterogénea lo que produce que el sistema de tierra no resulte según el cálculo hecho para un terreno homogéneo, ya que el valor de la conductividad no corresponde al terreno.
1.7 Normatividad.
En base a la Norma Oficial Mexicana, NOM 001 SEDE 2012. INSTALACIONES ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN), hay que tener en cuenta las siguientes definiciones (Artículo 100 y Artículo 250-2).
A tierra: Conexión conductora, intencionada o accidental, entre un circuito o equipo eléctrico y el terreno natural o algún cuerpo conductor que sirva como tal.
Conductor del electrodo de puesta a tierra: Conductor utilizado para conectar el conductor puesto a tierra del sistema o el equipo, al electrodo de puesta a tierra o a un punto en el sistema del electrodo de puesta a tierra.
Conductor Desnudo: Conductor que no tiene ningún tipo de cubierta o aislamiento eléctrico.
Conductor de puesta a tierra: Conductor utilizado para conectar un equipo o el circuito puesto a tierra de un sistema de alambrado al electrodo o electrodos de puesta a tierra.
Conductor de puesta a tierra de los equipos: Trayectorias conductoras utilizadas para conectar las partes metálicas, que normalmente no conducen corriente, de todos los equipos y al conductor del sistema puesto a tierra o al conductor del electrodo de puesta a tierra o a ambos.
Conductor puesto a tierra: Conductor de un sistema o de un circuito, intencionadamente puesto a tierra.
Puesto a tierra: Conectado (conexión) a tierra o a algún cuerpo conductor que extienda la conexión a tierra.
Puesto a tierra eficazmente: Conectado (conexión) a tierra intencionalmente a través de una conexión o conexiones a tierra que tengan una impedancia suficientemente baja y ampacidad, que prevengan la formación de tensiones peligrosas para las personas o para los equipos conectados.
Electrodo de puesta a tierra: Objeto conductor a través del cual se establece una conexión directa a tierra.
Sólidamente puesto a tierra: Significa que el conductor puesto a tierra (neutro) lo está sin necesidad de intercalar ninguna resistencia o dispositivo de impedancia.
Tensión a tierra: En los circuitos puestos a tierra, es la tensión entre un conductor dado y el punto o conductor del circuito que está puesto a tierra; en circuitos no puestos a tierra es la mayor diferencia de potencial entre un conductor dado y cualquier otro conductor del circuito.
1.7.1 Norma Oficial Mexicana NOM 001 SEDE 2012. INSTALACIONES ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN). Artículo 250. Puesta a Tierra y Unión.
A grandes rasgos el artículo 250 de la Norma Oficial Mexicana expone los siguientes puntos.
a) Generalidades. Se indican los requisitos generales para la puesta a tierra y unión de instalaciones eléctricas. Además de explicar que sistemas pueden ser puestos a tierra y cuales no indican el tipo de conexión.
b) Puesta a Tierra de Sistemas. Se indica cuales sistemas de corriente alterna deben estar puestos a tierra, de acuerdo a condiciones específicas. Para el caso de generadores portátiles, montados en vehículos y permanentes también especifica la conexión.
c) Sistemas de electrodos de Puesta a Tierra y conductor del Electrodo de Puesta a Tierra. El artículo 250-50 especifica que en ninguno de los casos el valor de resistencia óhmica de los electrodos de puesta a tierra debe de ser mayor a 25 ohm. Se especifica que los electrodos deben tener algún recubrimiento metálico que sea protector contra la corrosión.
e) Unión. El uso de uniones debe garantizar la continuidad eléctrica y capacidad de conducir la corriente de falla. Y solamente deberá hacerse uso de uniones si es necesario. Los puentes de unión deberán ser de cobre o algún otro material resistente a la corrosión.
f) Puesta a Tierra de Equipo y Conductores a Tierra de Equipo. Se debe hacer la conexión de puesta a tierra de las superficies metálicas de equipos eléctricos, así como, las partes metálicas de equipos no eléctricos. Los conductores de puesta a tierra deberán ser desnudos, cubiertos o aislados, en caso de ser cubiertos o aislados se identificarán por un exterior continuo en color verde o verde con una o más franjas amarillas.
g) Métodos de Puesta a Tierra de Equipos. Las partes metálicas de equipos, que normalmente no transportan corriente deben estar puestas a tierra (estructura y soporte metálico).
h) Sistemas de Corriente Continua. Deben ser puestos a tierra sistemas de corriente continua mayores a 50 V y menores a 230 V, siempre que estos no deriven su alimentación de rectificadores alimentados por corriente alterna o el sistema cuente con un detector de tierra. Los sistemas de 3 conductores deberán conectarse a tierra a través del conductor neutro.
i) Instrumentos, Medidores y Relevadores. Para transformadores de instrumento (corriente y potencial) debe considerarse la puesta a tierra del circuito secundario siempre que por el circuito la alimentación sea mayor a 300 V.
1.7.2 Norma Oficial Mexicana NOM 001 SEDE 2012. INSTALACIONES ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN). Artículo.921 Puesta a Tierra
Este artículo muestra los métodos de puesta a tierra, como medio para salvaguardar al público y a los operarios del daño que pudiera causar el potencial eléctrico en las líneas de servicio público de energía eléctrica. El artículo refiere a los métodos para conectar a tierra los conductores y el equipo de líneas eléctricas y de comunicación, los requisitos que se encuentran en esta área son los elementos que deben estar conectados a tierra se encuentran establecidos en este artículo de la NOM.
Definiciones.
Electrodo: Cuerpo metálico conductor o conjunto de cuerpos conductores agrupados, en contacto último con el suelo y destinados a establecer una conexión con el mismo.
Guarda: Elemento protector para prevenir un contacto accidental con un conductor eléctrico.
El artículo especifica la forma correcta de medir la resistencia del sistema de tierra, de cuál es la conexión de puesta a tierra durante reparaciones. Indica además los puntos de conexión del conductor de puesta a tierra en un sistema de corriente continua:
De 0 hasta 750 V
Mayor o igual a 750 V
Artículo 921-7 Material de los Conductores de Puesta a Tierra.
El conductor en los apartarrayos debe ser corto y con exento de dobleces cerrados (ángulos menores a 90°).
Si se cumple lo estipulado en el artículo 921-25, la estructura metálica de un edificio sirve como conductor de puesta a tierra e incluso como un aceptable electrodo de tierra.
Los medios de conexión del conductor de puesta a tierra y sus diferentes elementos a los que se une, deben tener las mismas características del conductor y deben ser adecuados para la exposición ambiental. Se incluye soldadura exotérmica, conectores mecánicos o de compresión y zapatas o abrazaderas de puesta a tierra.
Artículo 921-10 Ampacidad y Resistencia Mecánica.
"La ampacidad de tiempo corto" de un conductor desnudo de puesta a tierra, es la corriente que éste puede soportar durante el tiempo (establecido en el cálculo correspondiente durante el cual se tiene circulación de corriente), sin fundirse o cambiar su estado, y para un conductor con aislamiento es la corriente que puede conducir, sin que se dañe el aislamiento.
a) Para sistemas conectados a tierra en un solo punto.
b) Para sistemas de corriente alterna con múltiples conexiones de puesta a tierra. c) Para apartarrayos primarios.
d) Para equipo, mensajeros y retenidas. e) Límite de la ampacidad.
f) Resistencia mecánica.
Artículo 921-13 Electrodos de Puesta a Tierra.
Artículo 921-14 Electrodos Existentes.
Se pueden usar los sistemas subterráneos de tubería metálica para agua fría como electrodos de puesta a tierra. No olvidando que si las uniones tienes aislamiento, no deben usarse como puesta a tierra. Las tuberías metálicas enterradas conectadas a pozos y con baja resistencia se pueden usar como electrodos. Las varillas de los cimientos o bases de concretos que no se encuentran aislados al contacto directo a tierra y se extiendan cuando menos 1 m abajo del terreno, es aceptable como electrodo de puesta a tierra.
Artículo 921-18 Resistencia a Tierra de Electrodos.
El sistema de tierra debe consistir de uno o más electrodos conectados entre sí. Debe tener una resistencia a tierra baja para minimizar los riesgos al personal en función de la tensión de paso y de contacto (se considera aceptable un valor de 10 ohm; en terrenos con alta resistividad este valor puede llegar a ser hasta de 25 ohm). Para los tipos de electrodos véase el Artículo 250 parte C.
a) Plantas generadoras y subestaciones. Cuando estén involucradas tensiones y corrientes eléctricas altas, se requiere de una malla de tierra con múltiples electrodos y conductores enterrados y otros medios de protección. Véase Artículo 921 Parte D Subestaciones.
b) Sistemas de un solo electrodo. Los sistemas con un solo electrodo deben utilizarse cuando el valor de la resistencia a tierra no exceda de 25 ohm en las condiciones más críticas. Para instalaciones subterráneas el valor recomendado de resistencia a tierra es 5 ohm o menos.
Artículo 921-19 Conexión a Tierra de Partes Metálicas de Transformadores.
Capítulo
II
Causas y efectos de la corrosión.
2.1 Qué es corrosión.
Se conoce como corrosión al daño producido en los metales, este daño, es un ataque destructivo que se origina por reacciones químicas o electroquímicas. El fenómeno de la corrosión es causado naturalmente por el medio ambiente.
2.1.1 Por qué se presenta la corrosión en los metales.
La corrosión de los metales es inevitable debido a su origen.
Los metales generalmente se encuentran combinados con otros elementos químicos, por lo cual, no existen en la naturaleza en estado puro, existen algunas excepciones como es el caso de metales nobles (oro, platino, etc.).
Sin embargo, en estado natural se tienen minerales, sulfuros, óxidos, carbonatos entre otros compuestos, de los cuales, a través de procesos siderúrgicos se puede obtener metales. No obstante este tipo de procesos requieren de grandes demandas energéticas, como es el caso de la producción de acero, el cual es un metal indispensable para el desarrollo actual.
A pesar de que se haya obtenido un metal a partir de la separación de minerales, no se garantiza un periodo de vida prolongado, puesto que éste inicia el periodo de retorno a su estado natural (óxidos, sulfuros, carbonatos, etc.).
Como ejemplo se tiene el aluminio, el cual en estado puro se oxida rápidamente, produciendo sobre su superficie una capa conocida como alúmina (Al2O3, óxido de
aluminio).
La tendencia de los metales a oxidarse estriba principalmente en el gran aporte energético que se debe realizar para obtener una determinada cantidad de metal a partir de un mineral. En el caso del aluminio el mineral del cual es extraído se conoce como bauxita (Al2O3, óxido de aluminio), en cuanto al acero, éste retorna a su estado
Para alcanzar estados metálicos de los diferentes compuestos químicos (minerales), el metal absorbe y almacena una cantidad determinada de energía, misma que le permitirá posteriormente regresar a su estado original a través de un proceso de oxidación (corrosión). La cantidad de energía almacenada y requerida para realizar el retorno a estado original en un metal varía. Para metales como aluminio, zinc, magnesio y hierro es relativamente alta, para metales como el cobre y plata es relativamente baja.
Entonces, la fuerza conductora que causa que un metal se oxide es consecuencia de su existencia natural en forma combinada (oxidada).
2.1.2 Clasificación de corrosión.
La corrosión no es solamente la formación de herrumbre (oxidación de acero), empañado o pérdida de brillo que sufren los metales. Se tienen manifestaciones que pueden derivar en la pérdida de su resistencia, ductilidad o a que se presente una falla por agrietamiento.
La mayor parte de procesos de corrosión se deben a procesos electroquímicos, sin embargo, no siempre se tienen productos visibles o una pérdida de peso apreciable en el metal.
Existen cinco tipos principales de corrosión, los cuales se describen a continuación:
1) Ataque uniforme
En el hierro tiene presencia por la formación de herrumbre, en metales como la plata y el níquel se produce empañado.
Las mediciones del ataque se refieren a la pérdida de peso del metal y a la penetración que existe en él.
2) Picaduras
Las picaduras se forman debido a la velocidad de corrosión, es un tipo de corrosión que no presenta uniformidad, es mayor en unas zonas que otras.
Cuando se tiene un metal como ánodo y el ataque es sobre una pequeña zona del mismo, las picaduras resultantes se definen como profundas. La profundidad de las picaduras se determina a partir del factor de picadura, que es la relación de la penetración máxima producida en el metal a la penetración media determinada por la pérdida de peso de la muestra.
� �� � � =
� � �� � � � � � � � � �� � � �
� é � � � � … .
La cavitación es un ataque en el cual los metales están expuestos a líquidos que se desplazan a grandes velocidades, generalmente estos metales sufren corrosión de tipo picadura y también problemas de erosión-corrosión. Entre estos metales se tiene por ejemplo el cobre y el latón.
3) Descincado y corrosión selectiva.
La corrosión selectiva es similar al descincado. Este tipo de corrosión está limitado por lo general a la aleación de metales nobles, como Au-Cu Cobre) y Au-Ag (Oro-Plata).
Las aleaciones a base de cobre que contienen aluminio están sujetas al mismo tipo de corrosión que el descincado, en este caso el aluminio es el elemento que se corroe de manera preferente.
4) Corrosión intergranular.
La corrosión intergranular ocurre en los espacios que limitan los granos de un metal y produce pérdida de la resistencia mecánica y de la ductilidad.
El material, de área limitada, que forma los espacios intergranulares, y que actúa como ánodo, está en contacto con las superficies de los granos que son más grandes y actúan como cátodos. Este tipo de corrosión con frecuencia penetra con profundidad en el metal y causa fallas catastróficas.
5) Agrietamientos.
Se presentan los siguientes casos de falla por agrietamiento, los cuales son
a) Falla por corrosión bajo fatiga, que es cuando un metal se encuentra sometido a constantes tensiones de tracción repetidas o alternativas en un medio corrosivo.
b) Límite de fatiga, que es el medio en el cual las tensiones de tracción no son corrosivas.
c) Corrosión bajo tensiones, tiene presencia cuando un metal se encuentra a tracción constante y presenta agrietamiento inmediato.
2.2 Corrosión electroquímica.
Es un proceso que está constituido por una zona anódica, catódica y un medio electrolítico. Generalmente la zona anódica se corroe y la catódica se reduce. La corrosión no tiene presencia si no se encuentra alguno de estos elementos.
Cuando el ánodo comienza a diluirse (corroerse) da paso a la liberación de electrones en forma de iones metálicos, al electrolito.
En el caso del Zinc la reacción que sucede cuando éste es ánodo:
Zn=Zinc
Zn (sólido) - Zn2+ (electrolito) + 2 electrones
Donde:
Zn (sólido): Elemento en estado basal.
Zn2+ (electrolito): Elemento ionizado.
2 electrones: Iones liberados en el electrolito.
La reacción anterior da paso a una oxidación.
Figura 2.1. Dirección del flujo de corriente entre un ánodo y un cátodo en una celda de corrosión.
En el diagrama las flechas representan las corrientes eléctricas fluyendo del ánodo al cátodo y retornando a través de un medio conductor (por ejemplo, hilo metálico de cobre).
Los electrones que se liberan del ánodo se combinan con iones presentes en el electrolito. Depositándose en la superficie del cátodo.
Algunos ejemplos de las reacciones catódicas más comunes en presencia de agua son:
2H+ + 2 electrones
H2 (gas)
Donde:
2H+: Elemento en estado basal.
2 electrones: Iones liberados en el electrolito.
H2 (gas): Producto liberado en estado gaseoso.
O2 (gas) + 2 H2O + 4 electrones 4 OH (medio alcalino)
Donde:
4 electrones: Iones liberados en el electrolito.
4OH: Producto liberado.
O2 (gas) + 4 H+ + 4 electrones 2 H2O (medio ácido)
Donde:
O2 (gas) + 4 H+: Compuesto que tiene reacción en el cual H+ es el elemento
ionizado.
4 electrones: Iones liberados en el electrolito.
2 H2O (medio ácido): Producto liberado.
Los tres ejemplos anteriores son reacciones de reducción.
2.2.1 Electrodo de referencia.
Cuando se tiene cualquier metal y un medio electrolítico, el metal en contacto con el electrolito tiene, por un lado, tendencia a disolverse (ánodo), con lo que queda cargado negativamente.
Me Men+ + ne-
Donde:
Me: cualquier metal.
Men+: Metal que ha liberado electrones
Por otro lado, los iones del electrolito se depositen sobre la superficie del otro metal (cátodo):
Men+ + ne- Me(2)
Donde:
Men+: Metal que ha liberado electrones
ne-: Iones depositados en un segundo metal.
Me(2): cualquier metal empleado como cátodo.
Con lo que se alcanza el equilibrio en un determinado momento:
Me Me n+ + ne
-La liberación de electrones que muestra la ecuación anterior describe una diferencia de potencial entre los metales que interactúan a través de un medio electrolítico.
El potencial de un metal cualquiera sumergido en una solución de sus iones de actividad igual a la unidad, corresponde a la fuerza electromotriz de una pila de acuerdo a la convención propuesta por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC).
El potencial de la pila se determina con la siguiente expresión:
��� = á� − á … .
Basándose en lo anterior, se presentan dos casos:
a) E pila > 0 V
En el primer caso, el semielemento que actúa como polo positivo debe tener un potencial de reducción positivo que es:
Men+ + ne Me
La diferencia de potencial medida en la condición anterior, es numéricamente igual al potencial de reducción del semielemento, Men+/ Me.
En el segundo caso, se tiene presencia de un potencial negativo, lo que implica que el flujo de electrones sea en sentido contrario.
Me Men+ + ne
-Lo anterior indica que la reacción está favorecida energéticamente.
Tomando como ejemplo al Hidrógeno (H) estos electrones suministrados serán tomados por el otro semielemento y tendrá lugar la siguiente reacción:
2H + + 2e- H
2.
La reacción global será:
De esta forma se construye la serie electroquímica de los metales representada en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1. Serie electroquímica de los metales
Sistema Semirreacción Potencial E
(V A 25°C)
Li + / Li Li + 1e- Li -3.045
K +/ K K ++ 1e K -2.925
Cs +/Cs Cs ++ 1e- Cs -2.923
Ba2+ / Ba Ba2+ + 2e- Ba -2.90
Sr2 + Sr Sr 2++ 2e- Sr -2.89
Ca2+ /Ca Ca 2++ 2e Ca -2.87
Na + / Na Na ++ 1e- Na -2.714
Mg 2+ / Mg Mg 2++ 2e- Mg -2.37
Al 3+ / Al Al 3+ + 3e- Al -1.66
Mn2+ / Mn Mn 2+ + 2e- Mn -1.18
Cr 2+ / Cr Cr 2+ + 2e- Cr -0.913
V 3+ / V V3++ 3e- V -0.876
Zn 2+ / Zn Zn 2++ 2e- Zn -0.762
Cr 3+ / Cr Cr 3++ 3e- Cr -0.74
Fe 2+ / Fe Fe 2+ 2e- Fe -0.99
Cd 2+ / Cd Cd 2+ 2e- Cd -0.402
In 3+ / In In 3+ + 3e- In -0.342
Co 2+ / Co Co 2+ 2e- Co -0.277
Ni 2+ / Ni Ni 2+ + 2e- Ni -0.250
Sn 2+ / Sn Sn 2++ 2e- Sn -0.136
Pb 2+ / Pb Pb 2+ + 2e- Pb -0.126
Fe 3+ / Fe Fe 3+ + 3e- Fe -0.036
H + / H 2 2H + + 2e- H
2 0.000
Cu 2+ / Cu Cu 2++ 2e- Cu 0.337
Hg 2+ / Hg Hg 2+ + 2e- 2 Hg 0.789
Ag 2+ / Ag Ag 2+ + 1e- Ag 0.799
Hg 2+ / Hg Hg 2+ + 2e- Hg 0.857
Pd 2+ Pd Pd 2+ + 2e- Pd 0.987
Pt 2+ / Pt Pt 2+ + 2e- Pt 1.19
2.3 Corrosión en suelos.
El suelo se caracteriza por ser un electrolito al estar constituido por sales, materia orgánica y humedad. Por lo que los materiales metálicos que se entierran en el suelo, se ven afectados por problemas de corrosión.
Un suelo natural está formado por arena, arcilla, cal y humus. Lo que afecta directamente a la velocidad de corrosión. Ya que al estar mezclados en diferentes porciones el grado de agresividad será distinto.
Los suelos arenosos, margo-arenosos, margo-calcáreos y calcáreos no son agresivos mientras que los suelos arcillosos son agresivos, en algunas condiciones. Las turbas, los humos libres de cal, los suelos cenagosos y de aluvión son agresivos.
Por otra parte los suelos artificiales también son agresivos y están formados por escoria, basuras, elementos en putrefacción y residuos industriales.
Es desfavorable para la industria el problema de la corrosión, en el caso de las construcciones las estructuras de acero se tienen que apoyar en el suelo y ser enterradas. Por necesidades de seguridad, mecánicas y económicas, y para tener un buen control de la corrosión se invierte en sistemas de protección catódica para reducir el problema en estructuras de acero.
2.3.1 Agresividad del suelo en función de su resistividad, pH y potencial redox.
La velocidad de corrosión está ligada a la resistividad del terreno de la forma que se señala en la Tabla 2.2.
Tabla 2.2. Grado de agresividad del suelo en función de la resistividad
� ��� � � ∙ Grado de agresividad
< 10 Severo
10 – 100 Discreto
100 – 1000 Escaso
> 1000 Nulo
La resistividad de un terreno depende, en particular, de su estructura, de las dimensiones de sus partículas constituyentes, de su porosidad y permeabilidad, del contenido de agua (humedad) y de su contenido de iones.
Los suelos muy ácidos (con un pH < 5.5) corroen rápidamente a los metal desnudos que son expuestos y la agresividad es directamente proporcional al incremento de la acidez. El índice de pH de los suelos se comprende entre los 5.0 y 8.0 de la escala.
Las bacterias sulfato-reductoras son otro factor que influye en el nivel de corrosión que tendrá el suelo por lo que hay que determinar el pH y el potencial Redox del mismo.
El potencial redox es una medida de la actividad de los electrones. Está
relacionado con el pH y con el contenido de oxígeno. Es análogo al pH ya que el
La tabla 2.3 muestra la agresividad potencial de un suelo desde el punto de vista del crecimiento de bacterias sulfato-reductoras.
Tabla 2.3. Grado de agresividad del suelo por bacterias sulfato-reductoras en función del potencial redox.
Valor del potencial redox en mV vs. Electrodo de hidrógeno
Grado de agresividad potencial (posibilidad de corrosión anaerobia)
< 100 Severa
100 – 200 Discreta
200– 400 Escasa
> 400 Nula
En la Tabla 2.4 se presentan índices que permiten determinar las características agresivas de un suelo basándose en el contenido de aniones del mismo, cloruros, sulfatos y sulfuros, pH, potencial redox y resistividad.
Tabla 2.4. Determinación de la agresividad de suelos
Suma
Resistividad, � � − >
− − < − − − Potencial redox, � ��
(mV vs. Enh)
> + − − < + − −
pH >
< −
Cloruros, � − (mg / kg) <
−
> −−
Sulfatos, ���− (mg / kg) <
−
> −−
Sulfuros, �− (mg / kg)
− .
> . −−
Características del suelo Suma
No agresivo
Débilmente agresivo − � − 8
Medianamente agresivo −8 � −
2.3.2 Corrosión por aireación diferencial.
Con frecuencia en la mayoría de los electrolitos se encuentran concentraciones de aire disuelto. Este aire disuelto causa efectos de corrosión conocido como aireación diferencial o Efecto Evans.
La Corrosión por efecto Evans (influencia de las incrustaciones), se presenta cuando sobre una superficie metálica se forma una zona anódica justamente debajo del depósito, donde la concentración de oxígeno es muy pequeña, en comparación con la periferia. Cuando se tienen procesos de incrustaciones de sales las concentraciones de oxigeno se originan con mayor facilidad. Estas incrustaciones y salinidad aumentan las probabilidades de corrosión.
Si una tubería metálica se encuentra en un terreno donde las concentraciones de oxígeno son diferentes, la corrosión tendrá efecto en la parte menos oxigenada, actuando como ánodo. Éste problema tendrá mayor repercusión si la tubería es de longitud considerable y atraviesa terrenos de naturaleza diferentes debido a que las concentraciones de oxígeno serán distintas (Figura 2.2).
2.3.3 Corrosión por par galvánico.
La corrosión por par galvánico ocurre cuando dos metales o aleaciones de distinta composición química están expuestos en un electrolito; el metal menos noble (ánodo) presenta corrosión, mientras que el segundo elemento metálico queda protegido de la corrosión.
La velocidad de reacción del par galvánico dependerá de la exposición de las áreas del ánodo y del cátodo en el electrolito, lo cual implica que un ánodo pequeño en dimensiones se corroa más rápido que uno de dimensiones mayores. Esto se debe a que la corrosión depende más de la densidad de corriente que de la intensidad.
A veces ocurre que de un conducto principal de acero se sacan conductos derivados en cobre o acero galvanizado; en el primer caso se atacará el acero y en el segundo se disolverá el Zn (del galvanizado) (Figura 2.3 (a) y (b)).
2.3.4 Corrientes parásitas.
Se denominan corrientes parásitas, a las corrientes eléctricas que circulan fuera de los circuitos previstos. Estas corrientes eléctricas no tienen una magnitud definida, debido principalmente a que dependen esencialmente de la naturaleza y funcionamiento de la fuente que las emite.
Las corrientes parásitas tienen origen en el principio de electricidad que menciona que una corriente eléctrica busca siempre trayectorias en las cuales la resistencia sea menor (ley de ohm), por lo regular las canalizaciones que dan paso a estas trayectorias son estructuras metálicas que están enterradas en el terreno.
La figura 2.4 ilustra el mecanismo de la corrosión de una tubería motivada por la acción de corrientes parásitas que provienen de un sistema de tracción eléctrica.
2.3.5 Medición de la Resistividad del Suelo.
La resistividad del suelo es la resistencia que ofrece el terreno al paso de la corriente eléctrica. Y está determinada en ohm-metro (Ω-m) (Figura 2.5).
La resistencia de un sólido rectangular está dada por:
� = ∙ �∙ … .
En donde:
W, L y D: son las dimensiones (en m), como se ve en la figura 10.
: es la resistividad (en Ω-m)
Para que las unidades sean consistentes, La resistencia entre dos terminales de forma y tamaño cualquiera, en contacto con un terreno, está determinada por la relación entre el tamaño y la distancia entre las terminales y por la resistividad del suelo.
2.3.5.1 Determinación de la resistividad por el método de los cuatro electrodos.
Para determinar la resistividad del terreno se emplea el método de Frank-Wenner, conocido como, método de los 4 electrodos. El circuito de la figura 2.6 muestra la conexión para realizar la medición de la resistividad.
Figura 2.6. Medición de la resistividad del suelo por el método de Wenner o de los cuatro electrodos. La distancia (b) o sea la profundidad a la que está enterrada el electrodo (barra de cobre o acero) debe ser
En la figura 2.6 se tiene que:
A: La separación entre varillas adyacentes en m.
B: Profundidad de los electrodos en m.
C: Electrodo de corriente.
P: Electrodo de potencial.
Si la relación A/B da por resultado menor a 20, la resistividad del terreno se calculará a partir de la siguiente expresión.
= �
+
√ 2+ 2 −√ 2 + 2
… .
Donde:
: Resistividad aparente del suelo en Ω-m.
A: Separación entre electrodos adyacentes en m o en cm.
B: Profundidad de los electrodos en m o en cm.
R: Resistencia medida en Ω.
“Si “A” y ”B” se miden en cm o en m, y la resistencia R en Ω, la resistividad estará dada en Ω-cm o en Ω-m respectivamente” (NRF-011-CFE Sistema de Tierra para Plantas y Subestaciones Eléctricas, página 12)
Cuando la longitud “B” es menor que la longitud “A” o la relación A/B sea mayor o igual a 20, B=0, reduciendo la formula a la expresión siguiente:
2.4 Protección de los metales frente a la corrosión.
La corrosión se presenta cuando se forma una celda de corrosión o pila galvánica, lo que indica la presencia de un ánodo, un cátodo, un puente de enlace entre ánodo y cátodo (conductor metálico) y una solución electrolítica. Cuando alguno de éstos elementos no está presente, el proceso de corrosión en nulo.
Una vez conocidos los factores que propician la corrosión, se deben proteger los materiales de la mejor manera posible.
Los distintos métodos de corrosión se pueden clasificar de la siguiente manera:
a) Protección no electroquímica: 1. Recubrimiento con pintura. 2. Recubrimiento con polímeros. 3. Eliminación de humedad. b) Protección electroquímica:
1. Catódica
Con ánodo de sacrificio.
Con fuente de corriente.
Capítulo
III
Solución técnica para reducir la
corrosión.
Este capítulo propone soluciones posibles para la disminución de la
corrosión en sistemas de puesta a tierra. Analizando las ventajas y
desventajas entre las soluciones mismas.
3.1 Fundamentos de la solución propuesta.
Se conoce que la corrosión es la destrucción de un cuerpo metálico producido por diversos factores. Sin embargo el fenómeno que describe el proceso corrosivo es la electroquímica.
La solución planteada a este problema se clasifica como protección química (de acuerdo a la clasificación del tema 3.4 Protección de los metales frente a la corrosión).
3.1.1 Protección catódica.
Este tipo se protección se fundamenta en la polarización, y consiste en recubrir el metal base con un metal que cuente con un potencial electródico mayor. Para asegurar la protección es necesario que el recubrimiento sea continuo y no poroso.
Hay que tener en cuenta que por muy buenas características que tenga un recubrimiento, no es posible asegurar un aislamiento total del medio en el cual estará expuesto, y en consecuencia existirán zonas propensas al ataque corrosivo debido a la porosidad, grietas e impacto sobre el recubrimiento. Por lo que no es suficiente protección para evitar la corrosión, teniendo que complementar con un sistema de protección catódica por ánodos de sacrificio.
3.1.2 Protección catódica por el método de ánodos de sacrificio.
Consiste en la creación de una pila galvánica, donde el cátodo es la estructura a proteger (Sistema de tierra) y el ánodo será otro metal más electronegativo que el metal de la estructura.
Considerando el sentido convencional de flujo de corriente se tendrá que si estos metales se unen eléctricamente y se entierran en el mismo electrolito se establece un paso de corriente del metal más electropositivo al más electronegativo y dentro del electrolito, en sentido contrario, del metal más electronegativo (ánodo) al metal más electropositivo (cátodo), cerrándose el circuito y disolviéndose el metal del ánodo (corrosión) en el electrolito y quedando así protegido el metal del cátodo (Figura 2.1. Dirección del flujo de
corriente entre un ánodo y un cátodo en una celda de corrosión.).
3.2 Datos del estudio.
Tomando en cuenta la serie electroquímica de los metales (Tabla 2.1. Serie
electroquímica de los metales), un metal tendrá carácter anódico respecto de otro si su
potencial E se encuentra más electronegativo en dicha serie. Así, por ejemplo, el hierro será anódico con relación al cobre y catódico respecto al zinc. El metal que actúa como
ánodo se "sacrifica", es decir se disuelve en favor del metal que actúa como
cátodo; por esto el sistema se conoce como protección catódica con ánodos de sacrificio.
Las propiedades que debe reunir un material anódico son las siguientes:
1) Tener un potencial de disolución lo suficientemente negativo como para polarizar el metal a proteger.
2) El metal que se usa como ánodo debe tener una tendencia relativamente baja a la polarización, además de no desarrollar películas pasivantes que lo protejan y tener un potencial que garantice la formación de hidrógeno.
3) El metal debe tener un elevado rendimiento eléctrico de material expresado en amperes-hora por kg (Ah/kg). Estas especificaciones indican la capacidad del metal para drenar corriente eléctrica.
4) La corrosión del metal tiene que ser uniforme.
5) El metal debe ser de fácil adquisición y diferentes formas y tamaños.
Tomando en consideración los puntos anteriores solamente el zinc, el magnesio y el aluminio y sus respectivas aleaciones pueden ser considerados como materiales para ser utilizados como ánodos de sacrificio.
La realización de la protección catódica con ánodos de sacrificio o galvánicos, se lleva a cabo con tres metales que logran las exigencias manifestadas: zinc (Zn), magnesio (Mg), aluminio (Al) y sus aleaciones.
El zinc ha sido siempre el material anódico clásico, y es el pionero en el desarrollo de
la protección catódica.
Los ánodos de aleaciones de magnesio han sido también utilizados con éxito; principalmente se emplean para la protección de estructuras que requieren de una polarización rápida, o en medios agresivos de resistividad elevada, como los suelos.
El aluminio es un material anódico de gran interés por sus características electroquímicas. Sin embargo, la obtención de aleaciones de aluminio adecuadas para ánodos de sacrificio ha sido más lenta que la de otros metales.
3.2.1 Especificaciones de los materiales a emplear.
3.2.1.1 Especificaciones del ánodo de zinc.
Iones que libera el zinc.
Información Extraída de Tabla 2.1. Serie electroquímica de los metales.
Sistema Semirreacción Potencial E
(V A 25°C)
Zn 2+ / Zn Zn 2++ 2e- Zn -0.762
Composición química.
Tabla 3.1. Composición química de ánodos de zinc (valores en porcentaje en peso)
Elemento. Contenido
Aluminio (Al) 0,005 máx. Cadmio (Cd) 0,003 máx. Hierro (Fe) 0,0014 máx. Plomo (Pb) 0,003 máx. Cobre (Cu) 0,002 máx. Zinc (Zn) Mínimo 99,9856
Propiedades electroquímicas.
Tabla 3.2. Propiedades electroquímicas de ánodos de zinc.
Propiedad Valor
Eficiencia 95 % Mínimo
Potencial -1,10 V (Cu/CuSO4) (máx.)
Capacidad de drenaje de corriente 780 A-h/kg (mín.)
3.2.1.2 Especificaciones del cátodo de cobre.
Iones que libera el cobre.
Información Extraída de Tabla 2.1. Serie electroquímica de los metales.
Sistema Semirreacción Potencial E
(V A 25°C)
3.3 Procedimiento de cálculo para el diseño de protección catódica por ánodos de sacrificio.
3.3.1 Vida útil de los ánodos.
La vida útil del ánodo se determina de acuerdo al material y peso del mismo. Para un ánodo con dimensiones especificadas, la entrega de corriente debe ser calculada a partir de la siguiente expresión.
� = � − �
� … .
Donde:
I = Entrega de corriente del ánodo, en A.
Ec = Potencial mínimo de protección, en V.
Ea = Potencial del ánodo, a circuito abierto, en V. (Ver Tabla 3.3)
Ra = Resistencia del ánodo, en Ω.
Para determinar la resistencia del ánodo (Ra) se emplea la ecuación siguiente:
� = , � � . ��� � −� … .
Donde:
Ra= Resistencia de un ánodo vertical a tierra, en Ω
ρ = Resistividad del suelo o material de relleno, en Ω-cm.
L = Longitud del ánodo, m.