Influencia de la densidad de corriente y contenido de hipoclorito de sodio en agua de mar natural sobre el potencial electroquimico y velocidad de corrosion del acero api 5l x42 ps l2 protegido catodicamente con corriente impresa

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(1)BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJLLO FACULTAD DE INGENIERÍA Escuela Académico Profesional De Ingeniería De Materiales. TESIS DE INVESTIGACION 7(6,6 “INFLUENCIA DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE Y CONTENIDO DE HIPOCLORITO DE SODIO EN AGUA DE MAR NATURAL SOBRE EL POTENCIAL ELECTROQUIMICO Y VELOCIDAD DE CORROSION DEL ACERO API 5L X42 PS L2 PROTEGIDO CATODICAMENTE CON CORRIENTE IMPRESA.”. Para optar el título de: INGENIERO DE MATERIALES. AUTORES: Bach. AMASIFUEN CARBAJAL, Deivy Anthony. Bach. CARDOZO NEIRA, Marvin Diomedes.. ASESOR: Dr. CARDENAS ALAYO, Ranulfo Donato. TRUJILLO - PERÚ. 2019 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. JURADO. -----------------------------------------------------------------PRESIDENTE:. -----------------------------------------------------------------SECRETARIO: ING.. -----------------------------------------------------------------ASESOR: ING. Donato Cárdenas Alayo. i Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. DEDICATORIA. A Dios porque sin el todo esto no sería posible.. A mis padres Gladys y Greygan por ser el mejor regalo que me ha dado la vida, por su infinito amor, por ser el motor de mi vida, por el apoyo brindado y por sus consejos que día a día me dieron fuerza para poder realizar mis sueños.. A Lizet por estar a mi lado, brindándome su comprensión, cariño y apoyarme durante todo este tiempo, tu ayuda ha sido fundamental.. A mi gran amigo Gustavo Arribasplata (QEPD), porque juntos empezamos este sueño en el cual hoy de alguna manera formas parte.. DEIVY. ii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. DEDICATORIA. A MI MADRE Por haberme dado la vida y su apoyo incondicional, gracias por inculcar en mí el ejemplo de esfuerzo y valentía, de no temer las adversidades, porque Dios está conmigo siempre.. A MI PADRE Por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo caracterizan y que me ha infundado siempre, por el camino de los valores permitiéndome llegar a cumplir hoy un sueño más en mi vida.. A MIS SERES QUERIDOS. A todos aquellos que participaron directa o indirectamente en la elaboración de esta tesis, a esas personas maravillosas que confiaron en mí persona, mostrándome su apoyo único y moral.. MARVIN iii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. AGRADECIMIENTO A la Universidad Nacional de Trujillo, por habernos formado profesionalmente en la Escuela de Ingeniería de Materiales que pertenece a la facultad de Ingeniería y por habernos permitido desarrollar nuestra tesis en el Laboratorio de Corrosión y Degradación. Al Dr. Donato Cárdenas Alayo por permitirnos desarrollar la presente investigación bajo su asesoramiento, por su orientación y conocimientos impartidos durante nuestra formación profesional. A la empresa SERMABU S.R.L por confiar en nosotros al donarnos el material de estudio para así permitirnos desarrollar un tema de investigación novedoso y de gran proyección en el ámbito académico científico. A todos los docentes del Departamento de Ingeniería de Materiales, por sus conocimientos y consejos brindados, especialmente al Dr. Donato Cárdenas Alayo por el apoyo constante al desarrollo de la Escuela Académico Profesional de Ingeniería de Materiales y por ende de todos nuestros compañeros estudiantes. A nuestras familias que siempre nos apoyaron económica y moralmente para concluir nuestra carrera profesional y poder hacerlo realidad, a ellos muchas gracias. De la misma manera a todos nuestros amigos y compañeros de la Escuela Académico Profesional de Ingeniería de Materiales, que de una u otra forma nos apoyaron durante nuestra preparación universitaria y en el desarrollo de este trabajo de investigación. A todas las personas nombradas nuestro agradecimiento y reconocimiento por siempre.. Los autores.. iv Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. ÍNDICE DEDICATORIA. ii. AGRADECIMIENTO. iv. ÍNDICE. v. LISTA DE FIGURAS. viii. LISTA DE TABLAS. xi. NOMENCLATURA. xiii. RESUMEN. xiv. ABSTRACT. xv. I. INTRODUCCIÓN. 1. 1. 1. Realidad problemática. 1. 1. 2. Antecedentes empíricos. 4. 1. 3. Antecedentes teóricos. 6. 1.3.1. Corrosión electroquímica. 6. 1.3.2. Etapas del proceso de corrosión electroquímica. 9. 1.3.3. Variables que influyen en el comportamiento de la corrosión. 10. 1.3.4. Aceros al carbono. 11. 1.3.4.1. Tuberías de acero al carbono. 12. 1.3.5. Diagrama de pourbaix. 13. 1.3.5.1. Diagrama de pourbaix para el hierro 1.3.6. Electrodos de referencia 1.3.6.1. Electrodo de cobre/sulfato de cobre (Cu/CuSO4). 1.3.7. Protección catódica. 14 15 19 22. 1.3.7.1. Protección catódica por corriente impresa. 23. 1.3.7.2. fundamento electroquímico. 25. 1.3.7.3. Medida del potencial de protección. 27. 1.3.7.4. Densidad de corriente mínima para protección Catódica. 28. 1.3.7.5. Ventajas y limitaciones. 30. 1.3.7.6. Algunos criterios utilizados en la práctica. 31. v Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.3.8. Fuente de corriente. 31. 1.3.8.1. Rectificadores. 32. 1.3.8.2. Dinamo con motor térmico. 33. 1.3.9. Ánodos auxiliares. 33. 1.3.9.1. Chatarra de hierro. 33. 1.3.9.2. Grafito. 33. 1.3.10. Sobre protección.. 34. 1.3.11. Hipoclorito de sodio (NaOCl). 35. 1.3.11.1. Propiedades Físicas del Hipoclorito de sodio. 37. 1.3.11.2. Propiedades Químicas del Hipoclorito de sodio. 37. 1.3.11.3. Aplicación y usos. 39. 1.4. Problema. 40. 1.5. Hipótesis. 40. 1.6. Objetivos. 40. 1.6.1. Objetivo General. 40. 1.6.2. Objetivos Específicos. 41. 1. 7. Importancia:. 41. II. MATERIALES Y METODOS. 42. 2.1. Materiales de estudio. 42. 2.2. Métodos. 43. 2.2.1. Tipo de investigación. 43. 2.2.2. Diseño de contrastación. 43. 2.2.3. Procedimiento experimental. 45. III. RESULTADOS Y DISCUSIONES 3.1. Velocidad de corrosión y potencial electroquímico del acero api 5l x42 psl2 sin ningún tipo de protección. 50. 3.2. Velocidades de corrosión y potencial electroquímico del acero api 5l x42 psl2 protegido catódicamente con corriente continua IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 54 61. 4.1. Conclusiones. 61. 4.2. Recomendaciones. 62. V. BIBLIOGRAFÍA. 63. VI. ANEXOS. 66 vi. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 6.1. Anexo 1: Normas. 66. 6.2. Anexo 2: Fichas técnicas. 74. 6.3. Anexo 3: Cálculos para la velocidad de corrosión. 81. 6.4. Anexo 4: Cálculos estadísticos. 84. 6.5. Anexo 5: Tablas. 95. 6.6. Anexo 6: Fotografías. 105. vii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. LISTADO DE FIGURAS Fig. N°01. Mecanismo de corrosión de un acero sumergido en agua de mar natural.. 6. Fig. N°02. Sentido del flujo de electrones y de la corriente eléctrica en una celda de corrosión.. 8. Fig. N°03. Representación de las etapas parciales que intervienen en un proceso de corrosión.. 9. Fig. N°04. Diagrama de Pourbaix para el sistema Fe-H2O.. 14. Fig. N°05. Serie electroquímica de los metales.. 18. Fig. N°06. Representación esquemática del electrodo de referencia Cu/CuSO4.. 19. Fig. N°07. Equivalencia de potencial relativas a los electrodos de referencia utilizados en protección catódica.. 21. Fig. N°08. Celda de corrosión microscópica.. 22. Fig. N°09. Protección catódica aplicada en una estructura.. 24. Fig. N°10. Esquema de protección catódica con corriente impresa de una tubería enterrada.. 25. Fig. N°11. Esquema del fundamento electroquímico de la protección catódica.. 26. Fig. N°12. Diagrama potencial -pH para el hierro (Fe) a 25 °C.. 27. Fig. N°13. Esquema de un transfor rectificador monofásico.. 32. Fig. N°14. Formula del hipoclorito de sodio. 35. Fig. N°15. Nomenclatura de las sales que provienen de la reacción de un ácido y una base.. 36. Fig. N°16. Diagrama esquemático del problema de investigación.. 40. Fig. N°17. Representación del material de estudio.. 42. Fig. N°18. Diagrama de bloques del procedimiento experimental.. 45. Fig. N°19. Diagrama de las conexiones para obtener las mediciones deseadas.. 47. Fig. N°20. Velocidad de corrosión según % añadido de hipoclorito de sodio.. 51. Fig. N°21. Diagrama de Pourbaix para el Fe con el posible punto de operación del fenómeno evaluado.. 52. Fig. N°22. Velocidad de Corrosión y Potencial Electroquímico de Protección en función de la densidad de corriente aplicado al acero API 5L x42 PSL2 sumergido en agua de mar natural conteniendo 5% de hipoclorito de sodio.. 55. viii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Fig. N°23. Velocidad de Corrosión y Potencial Electroquímico de Protección en función de la densidad de corriente aplicado al acero API 5L x42 PSL2 sumergido en agua de mar natural conteniendo 10% de hipoclorito de sodio.. 56. Fig. N°24. Velocidad de Corrosión y Potencial Electroquímico de Protección en función de la densidad de corriente aplicado al acero API 5L x42 PSL2 sumergido en agua de mar natural conteniendo 15% de hipoclorito de sodio.. 58. Fig. N°25. Velocidad de Corrosión del acero API 5L x42 PSL2 a diferentes densidades de corriente aplicada al 5%, 10% y 15% de contenido de hipoclorito de sodio.. 59. Fig. N°26. Velocidad de Corrosión del acero API 5L x42 PSL2 a diferentes densidades de corriente aplicada al 5%, 10% y 15% de contenido de hipoclorito de sodio.. 60. Fig. N°27. Área total sumergida del material de estudio. 81. Fig. N°28. Rectificador de corriente de 5 A y 15 V.. 105. Fig. N°29. Probetas de acero API 5L x42 PSL2.. 105. Fig. N°30. Hipoclorito de sodio al 7.5%.. 106. Fig. N°31. Recolección de agua de mar de playa Huanchaco.. 106. Fig. N°32. Bidones conteniendo agua de mar natural.. 107. Fig. N°33. Filtrado del agua de mar natural.. 107. Fig. N°34. Eliminación de restos de arena y otros.. 108. Fig. N°35. Multitéster PRASEK PR-301.. 108. Fig. N°36. Soldimix para los ensambles.. 109. Fig. N°37. Cubas de vidrio usadas en el proceso de protección catódica.. 109. Fig. N°38. Listones de madera para sujetas las probetas de acero.. 109. Fig. N°39. Ensamble de los listones y cubas de vidrio.. 110. Fig. N°40. Cables con cocodrilos para conexiones.. 110. Fig. N°41. Preparación de la solución para los ensayos.. 110. Fig. N°42. Lijado de las probetas antes de los ensayos.. 111. Fig. N°43. Lavado de las probetas de acero API 5L x42 PSL2 luego del lijado.. 111. Fig. N°44. Enjuague de las probetas de acero API 5L x42 PSL2.. 111. Fig. N°45. Pesaje de las probetas antes de realizar el ensayo.. 112. Fig. N°46. Probetas de acero sumergidas en agua de mar natural más 5% de Hipoclorito de sodio.. 112. Fig. N°47. Probetas de acero sumergidas en agua de mar natural más 10% de ix Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Hipoclorito de sodio.. 113. Fig. N°48. Probetas de acero sumergidas en agua de mar natural más 15% de Hipoclorito de sodio.. 113. Fig. N°49. Probetas de acero con protección catódica por corriente impresa.. 114. Fig. N°50. Probetas de acero sin ningún tipo de protección.. 114. Fig. N°51. Media del potencial electroquímico sin protección.. 114. Fig. N°52. Media del potencial electroquímico de protección.. 115. Fig. N°53. Ácido clorhídrico para la preparación de la solución de limpieza de productos de corrosión.. 115. Fig. N°54. Urotropina.. 116. Fig. N°55. Pesamos 3.6g de urotropina x cada litro de solución a preparar.. 116. Fig. N°56. Limpieza de los productos de corrosión luego de estar expuestos en solución.. 117. Fig. N°57. Secado superficial luego del enjuague.. 117. Fig. N°58. Secado para eliminar todo rastro de humedad.. 117. Fig. N°59. Media del pH del agua de mar con pHmetro.. 118. Fig. N°60. Medida del pH del hipoclorito de sodio con pHmetro.. 118. Fig. N°61. Media del pH del hipoclorito de sodio con papel pH.. 118. Fig. N°62. Media del pH de la solución al 5% de hipoclorito de sodio con pHmetro.. 119. Fig. N°63. Media del pH de la solución al 10% de hipoclorito de sodio con pHmetro.. 119. Fig. N°64. Media del pH de la solución al 15% de hipoclorito de sodio con pHmetro.. 119. Fig. N°65. Media del pH de la solución al 5% de hipoclorito de sodio con papel pH.. 120. Fig. N°66. Media del pH de la solución al 10% de hipoclorito de sodio con papel pH.. 120. Fig. N°67. Media del pH de la solución al 15% de hipoclorito de sodio con papel pH.. 120. x Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. LISTA DE TABLAS Tabla N°01. Conversión aproximada entre las escalas de potencial relativas a los electrodos de referencia más utilizados.. 20. Tabla N°02. Requerimientos de corriente para la protección catódica del acero.. 29. Tabla N°03. Potencial de protección adoptada generalmente en el suelo y agua de mar.. 34. Tabla N°04. Propiedades físicas del hipoclorito de sodio NaOCl.. 37. Tabla N°05. Dimensiones de la tubería de acero API 5L x42 PSL2.. 42. Tabla N°06. Niveles de las variables de estudio.. 43. Tabla N°07. Diseño de matriz experimental. 44. Tabla N°08. Velocidad de corrosión y potencial electroquímico (Cu/CuSO4) para las probetas de acero API 5L x42 PSL2 sin protección, expuestas en agua de mar natural conteniendo 5% de hipoclorito de sodio, durante 5 días.. 50. Tabla N°09. Velocidad de corrosión y potencial electroquímico (Cu/CuSO4) para las probetas de acero API 5L sin protección, expuestas en agua de mar natural conteniendo 10% de hipoclorito de sodio, durante 5 días.. 50. Tabla N°10. Velocidad de corrosión y potencial electroquímico (Cu/CuSO4) para las probetas de acero API 5L sin protección, expuestas en agua de mar natural conteniendo 5% de hipoclorito de sodio, durante 5 días.. 51. Tabla N°11. Velocidades de corrosión y potenciales electroquímicos (respecto al electrodo Cu/CuSO4), de las probetas de acero API 5L x42 PSL2 expuestas en agua de mar natural conteniendo hipoclorito de sodio al 5% durante 5 días, protegidos catódicamente con diferentes densidades de corriente.. 53. Tabla N°12. Velocidades de corrosión y potenciales electroquímicos (respecto al electrodo Cu/CuSO4), de las probetas de acero API 5L x42 PSL2 expuestas en agua de mar natural conteniendo hipoclorito de sodio al 10% durante 5 días, protegidos catódicamente con diferentes densidades de corriente.. 56. Tabla N°13. Velocidades de corrosión y potenciales electroquímicos (respecto al electrodo Cu/CuSO4), de las probetas de acero API 5L x42 PSL2 expuestas en agua de mar natural conteniendo hipoclorito de sodio al 15% durante 5 días, protegidos catódicamente con diferentes densidades de corriente.. 57. Tabla A-01. Procedimiento de Limpieza química para remoción de productos de corrosión.. 70 xi. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Tabla A-02: dimensiones de tubería api 5l x42. 74. Tabla A-03: propiedades químicas. 75. Tabla A-04: propiedades mecánicas. 75. Tabla A-05: ficha técnica del hipoclorito de sodio. 76. Tabla A-06: hoja de datos de seguridad para materiales peligrosos. 77. Tabla N°14. Potenciales electroquímicos obtenidos experimentalmente.. 85. Tabla N°15. Cuadro resumen del análisis de varianza para el potencial de protección.. 89. Tabla N°16. Velocidad de corrosión obtenidos experimentalmente.. 90. Tabla N°17. Cuadro resumen del análisis de varianza para el potencial de protección. 94 Tabla N°18. Influencia del agua de mar artificial en unión con el 5% de hipoclorito de sodio sobre la velocidad de corrosión del acero API 5L grado B.. 95. Tabla N°19. Influencia del agua de mar artificial en unión con el 10% de Hipoclorito de sodio sobre la velocidad de corrosión del acero API 5L grado B.. 95. Tabla N°20. Influencia del agua de mar artificial en unión con el 15% de hipoclorito de sodio sobre la velocidad de corrosión del acero API 5L grado B.. 96. Tabla N°21. Medida del pH de las soluciones que se usó en el desarrollo de este trabajo.. 96. Tabla N°22: Velocidad de corrosión de probetas de acero API 5L x42 PSL2 protegida catódicamente por corriente impresa con una densidad de corriente de 0.005 mA/cm2.97 Tabla N°23: Velocidad de corrosión de probetas de acero API 5L x42 PSL2 protegida catódicamente por corriente impresa con una densidad de corriente de 0.01 mA/cm2. 98 Tabla N°24: Velocidad de corrosión de probetas de acero API 5L x42 PSL2 protegida catódicamente por corriente impresa con una densidad de corriente de 0.02 mA/cm2. 99 Tabla N°25: Velocidad de corrosión de probetas de acero API 5L x42 PSL2 protegida catódicamente por corriente impresa con una densidad de corriente de 0.03 mA/cm2. 100 Tabla N°26: Velocidad de corrosión de probetas de acero API 5L x42 PSL2 protegida catódicamente por corriente impresa con una densidad de corriente de 0.04 mA/cm2. 101 Tabla N°27: Velocidad de corrosión de probetas de acero API 5L x42 PSL2 protegida catódicamente por corriente impresa con una densidad de corriente de 0.05 mA/cm2. 102 Tabla N°28: Velocidad de corrosión de probetas de acero API 5L x42 PSL2 protegida catódicamente por corriente impresa con una densidad de corriente de 0.06 mA/cm2. 103 Tabla N°29: Velocidad de corrosión de probetas de acero API 5L x42 PSL2 protegida catódicamente por corriente impresa con una densidad de corriente de 0.07 mA/cm2. 104 xii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. NOMENCLATURA. V. :. Voltios. E. :. Potencial. mV. :. Mili voltios. pH. :. Grado de acidez o basicidad de una solución acuosa.. Cu/CuSO4. :. Cobre/sulfato de cobre. CaCO3. :. Carbonato de calcio. NaCl. :. Cloruro de sodio. NaOCl. :. Hipoclorito de sodio. A. :. Área. ρ. :. Densidad. Δm. :. Diferencia de masa. t. :. Tiempo (años).. μm. :. Micrómetros. dm. :. Decímetro. ECSC. :. Electrodo de cobre/sulfato de cobre. xiii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. RESUMEN. En el presente trabajo de investigación, se evaluó la influencia de la densidad de corriente aplicada y el contenido de hipoclorito de sodio en agua de mar natural, sobre el potencial electroquímico y la velocidad de corrosión del acero API 5L X42 PS L2 protegido catódicamente con corriente impresa.. Para la recolección de datos, se sumergieron, en una solución de agua de mar natural con hipoclorito de sodio al 5%vol, 10%vol y 15%vol, con la apropiada corriente impresa, por un tiempo de 120 horas, probetas rectangulares de acero API 5L X42 PS L2, con dimensiones de 70x40x7mm. La determinación de la velocidad de corrosión de estos materiales se realizó por el método gravimétrico.. Los resultados finales indican que los mejores valores de corriente aplicada son: 0.06mA/cm2 – 0.07mA/cm2. Con los cuales se logra las velocidades de corrosión mas bajas, por lo tanto, los mejores rangos de protección catódica del acero evaluado, ya que nos permite ubicar a las probetas de acero evaluadas en zona de inmunidad termodinámica.. Estos resultados también indican que la corriente aplicada y el contenido de hipoclorito de sodio, afectan significativamente la velocidad de corrosión y potencial electroquímico, lo que comprobó con el ANAVA calculado.. Palabras clave: Electrodo de referencia, corriente impresa, corrosión.. xiv Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. ABSTRACT. In the present research, the influence of the applied current density and the hypochlorite sodium percentage (5%, 10% and 15%) contained in natural seawater on the electrochemical potential and corrosion rate were evaluated. For the API 5L X42 PS L2 steel catholically protected with impressed current.. For data collection, they were submerged, in a solution of natural sea water with 5%, 10% and 15% sodium hypochlorite, with the appropriate cathodic protection with direct current, for a time of 120 hours, rectangular specimens of Steel API 5L X42 PS L2, with dimensions of 70x40x7mm. The determination of the corrosion rate of these materials was carried out by the gravimetric method. The final results indicate that the best applied current values are: 0.06mA / cm2 - 0.07mA / cm2. With which the lowest corrosion rates are achieved, therefore, the best ranges of cathodic protection of the evaluated steel, since it allows us to locate the steel specimens evaluated in thermodynamic immunity zone.. These results also indicate that the applied current and the sodium hypochlorite content significantly affect the corrosion rate and electrochemical potential, which was verified with the calculated ANAVA.. Keywords: Reference electrode, printed current, corrosion.. xv Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. I.. INTRODUCCIÓN. 1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA La corrosión se define como el deterioro o la destrucción de un material debido a una reacción con su entorno. De manera más general, puede entenderse como la tendencia natural que tienen los materiales a buscar su forma más estable o de menor energía interna y corresponde por lo tanto a un proceso espontáneo. (Fontana, 2015.) Uno puede preguntarse ¿por qué existe la corrosión? Podemos empezar diciendo que la corrosión de los metales es en cierto sentido inevitable. Recordemos que los metales, (salvo los metales nobles se encuentran en estado nativo en la Tierra), no existen como tales en naturaleza, sino combinados con otros elementos químicos formando los minerales, como los óxidos, sulfuros, carbonatos, etc. (Ávila y Genesca, 2011) La corrosión se manifiesta como pérdidas locales o generalizadas de material, lo que puede causar un mal funcionamiento en los equipos o accidentes por rupturas de piezas. Es un problema industrial importante y hay una gran inversión de las empresas para crear recubrimientos protectores o para utilizar metales o aleaciones más resistentes, de manera que se pueda disminuir los efectos de la corrosión. (Weston y Webb, 2003) La producción de acero y la mejora de sus propiedades mecánicas han hecho posible su empleo en los dominios más variados. Desgraciadamente, el desarrollo en la utilización de los productos siderúrgicos va acompañado, de un aumento en el tributo que cada año se paga a la corrosión, sépase que aproximadamente un 25% de la producción anual de acero es destruido por la corrosión. (Ávila y Genesca, 2011) Se estima que entre el 3 y 4% de PBI (producto bruto interno) de un país se pierde como consecuencia de los procesos de corrosión de metales. También esta aceptado que entre el 20 y 25% de estas pérdidas podrían evitarse aplicando lo que hoy se sabe sobre los mecanismos básicos de la corrosión de los metales y aplicando tecnologías adecuadas para reducir sus efectos. (Otero, 2001). 1 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Por otro lado, es importante también considerar los efectos secundarios de la corrosión, como es la contaminación ambiental (la contaminación de agua y alimentos), la pérdida de productividad y los daños ocasionados por accidentes a personas. Prácticamente todos los medios ambientes son corrosivos en algún grado. El fenómeno de corrosión puede ser rápido o lento, lo que depende generalmente de las características del material, así como del medio ambiente. Sin embargo, variables como la temperatura y la presión también influencian a la corrosión. (Soto, 2013) Es entonces precisamente cuando todos los conocimientos que se tienen de la lucha contra la corrosión deben de ser aplicados para que un metal o aleación perdure más años en servicio, sin transformarse rápidamente en formas combinadas (óxidos, sulfuros, etc.). Para tal fin se emplean diversas técnicas de protección tales como: la alteración superficial de los metales. Un metal dado puede combinarse o alearse con otros metales, para mejorar su resistencia a algún tipo de corrosión. Se puede aislar físicamente al metal del medio en que se encuentra expuesto. También se puede alterar la velocidad de corrosión de un metal al modificar las diferencias de potencial eléctrico existentes. (Ávila y Genesca, 2011) El agua de mar contiene un amplio rango de sustancias que hacen difícil su uso industrial o técnico. Además de contener sal, también contiene cantidades importantes de carbonato de calcio, algas y numerosos microorganismos los cuales generan problemas cuando se utiliza en aplicaciones industriales o técnicas. Además de generar la formación de incrustaciones, Los microorganismos se multiplican y forman lo que se conoce como biopelícula dentro de tuberías y equipos, afectando la transferencia de calor y puede inclusive llegar a taponar sistemas completos. El tratamiento de agua de mar a nivel industrial, comienza con pasos de purificación, como filtros para deshacerse de los sólidos en el agua. De todos modos, la corrosión sigue siendo uno de los más grandes problemas que resultan de la utilización de agua mar para usos técnicos o industriales. La mayoría de las máquinas y equipos y las tuberías están hechas de acero estructural y empiezan a corroerse fuertemente en un lapso muy breve. (Merus, 2016) Actualmente, en la zona sur del Perú, se tiene estructuras de acero en contacto con agua de mar conteniendo hipoclorito de sodio, añadido para eliminar los 2 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. microorganismos, ello podría agravar el fenómeno corrosivo y las condiciones de protección catódica reportadas para aguas de mar limpias por lo que sería muy interesante, hacer un estudio que involucre la contaminación del agua de mar con hipoclorito de sodio y las condiciones operativas de una protección catódica con corriente impresa, aplicada en aceros estructurales de grado API 5L.. 3 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.2. ANTECEDENTES EMPÍRICOS - Cayotopa y Salirrosas (2006), en su tesis “Influencia de la densidad de corriente aplicada sobre la velocidad de corrosión del acero ASTM A-36, del latón y aluminio 1100protegidos catódicamente con corriente continua sumergido en una solución al 3.5% de cloruro de sodio”. Perú. Universidad Nacional de Trujillo. Determinaron que el acero ASTM A-36 requiere una corriente d protección de 532 mA/m2 para llevarlo a un potencial de protección de -950 mV (Cu/CuSO4) y mínima corrosión de 2.2 µm/año. Los autores nos aportan el procedimiento del ensamble del circuito y el procedimiento de la limpieza de las probetas luego de la exposición en la solución. - Polo y Solorzano (2014), Evaluaron “la influencia de la densidad de corriente de protección sobre la velocidad de corrosión y potencial electroquímico de un acero API 5L GRADO B sumergido en agua de mar artificial protegido catódicamente con corriente impresa”. Perú. Universidad Nacional de Trujillo. Determinaron que el rango efectivo de la densidad de corriente de protección esta entre 500 y 600 mA/m2, los potenciales de protección obtenidos se encontraron en un rango entre -922 a -978 mV (Cu/CuSO4), obteniendo velocidades de corrosión de 6.19 y 3.14 µm/año. Los autores nos aportan el rango de densidad de corriente con la que vamos a empezar a trabajar cuando apliquemos la corriente impresa. - Refait y colaboradores (2015), Evaluaron la “Corrosión y protección catódica de un acero al carbono AISI 1010 en la zona de marea: productos, mecanismos y cinética”. Determinaron que las tasas de corrosión promedio del acero AISI 1010 disminuyeron de 90 um/año a 9 um/año bajo protección catódica. Los autores nos aportan que la protección catódica por corriente impresa induce la precipitación de CaCO3 y/o Mg (OH)2 en la superficie del acero, lo cual podría influir en la velocidad de corrosión. - Yanbao y colaboradores (2016), Evaluaron “Efectos de la interferencia de corriente alterna en la protección catódica para tuberías API 5L X60”. Determinaron que Para el potencial de -850 mV, cuando la interferencia de corriente alterna es inferior a 100 A/m2, la velocidad de corrosión del acero 4 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. API 5L X60 era inferior a 0,1 mm/año. Con el aumento de la densidad de interferencia de corriente alterna a más de 100 A /m2, la tasa de corrosión del acero API 5L X60 aumentó drásticamente. Disminuir el potencial de protección catódica estándar existente a -950 mV puede disminuir el daño por corrosión en el acero API 5L X60. Los autores nos aportan rangos de potencial electroquímico para la protección de un acero API 5L. - Basim y colaboradores (2012), Evaluaron “Protección catódica del acero al carbono en una solución de NaCl 0.1N y el efecto de la velocidad de flujo”. Determinaron que el aumento de la velocidad de rotación (0-0.262 m/s) aumenta la velocidad de corrosión de 25.27 g/m2d a 154.44 g/m2d a 45°C la corriente impresa requerida para la protección catódica depende de la temperatura y la velocidad de rotación. La velocidad de corrosión de la muestra de acero al carbono en solución de NaCl 0.1N muestra una tendencia inestable con la temperatura. Los autores nos aportan que la velocidad de corrosión puede verse afectada por la temperatura del medio y la velocidad de rotación.. 5 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.3. ANTECEDENTES TEÓRICOS 1.3.1. CORROSIÓN ELECTROQUIMICA La corrosión es un proceso electroquímico en el cual un metal reacciona con su medio ambiente para formar oxido o algún otro compuesto. La celda que causa este proceso está compuesta esencialmente por tres componentes: un ánodo, un cátodo y un electrolito (la solución conductora de electricidad). El ánodo es el lugar donde el metal es corroído, el electrolito es el medio corrosivo y el cátodo, que puede ser parte de la misma superficie metálica o de otra superficie metálica que este en contacto, forma el otro electrodo en la celda y no es consumido por el proceso de corrosión. En el ánodo el metal corroído pasa a través del electrolito como iones cargados positivamente liberando electrones que participan en la reacción catódica. Es por ello que la corriente de corrosión entre el ánodo y el cátodo consiste en electrones fluyendo dentro del metal y de iones fluyendo dentro del electrolito.. Fig. N°01. Mecanismo de corrosión de un acero sumergido en agua de mar natural. (http://www.fondear.org/infonautic). Tal corrosión es un proceso espontáneo que denota la existencia de una zona anódica (que sufre la corrosión), una zona catódica y un electrolito, siendo imprescindible la presencia de estos tres elementos para que este tipo de corrosión pueda existir (se requiere asimismo de contacto eléctrico entre la zona anódica y la catódica). (Galvele, 2010) El ánodo: Lo constituye el elemento metálico que está siendo corroído o degradado desde sus átomos eléctricamente neutros a la forma iónica con la consecuente pérdida de electrones. Estos iones pueden permanecer en solución o reaccionar para formar productos insolubles de corrosión. Si esto. 6 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. último ocurre, se obstaculizaría la disolución del metal retardando el proceso corrosivo, en tal caso se dice que la superficie del metal está pasivada. La reacción de corrosión de un metal M es expresado por la siguiente relación. Mo → M+ z+ ze-. El cátodo: El cátodo generalmente no se corroe, los electrones producidos en el ánodo, se combinan en la superficie metálica del cátodo con determinados iones presentes en el electrolito. Tres reacciones comunes e importantes pueden ocurrir en el cátodo dependiendo del pH de la solución.. Para pH < 7 2H+ + 2e- → H2. … (1). O2 (g) + 4H+ + 4e- → 2H2O … (2) Para pH ≥ 7 O2 (g) 4H+ + 4e- → 2H2O. … (3). Podemos resumir lo anterior diciendo que para que exista corrosión deben cumplirse unas ciertas condiciones mínimas. Estas son:. 1. Debe haber un ánodo y un cátodo. 2. Debe existir un potencial eléctrico entre los dos electrodos (ánodo y cátodo). 3. Debe haber un conductor metálico que conecte eléctricamente el ánodo y el cátodo. 4. Tanto el ánodo como el cátodo deben estar sumergidos en un electrolito conductor de la electricidad.. Una vez cumplidas estas condiciones puede circular una corriente eléctrica dando lugar a un consumo de metal (corrosión) en el ánodo. La diferencia de potencial creada entre el ánodo y el cátodo provoca una migración de electrones desde el ánodo al cátodo a lo largo del conductor metálico externo, un alambre de cobre, por ejemplo, como se indica en la fig. N°02. 7 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Fig. N°02. Sentido del flujo de electrones y de la corriente eléctrica en una celda de corrosión. (https://www.monografias.com). En el ánodo, al perder electrones, quedan iones de hierro cargados positivamente Fe2+, los cuales pueden combinarse con iones cargados negativamente OH-, que se encuentran en las inmediaciones del ánodo pudiéndose formar ocasionalmente hidróxido ferroso Fe (OH)2, el cual puede reaccionar con posterioridad para formar hidróxido férrico Fe (OH)3 conocida como herrumbre. En el cátodo y procedentes del ánodo van llegando electrones, a través del conductor metálico externo. Estos electrones cargados negativamente al llegar a la interface cátodo-solución, se combinan con los iones hidrógeno cargados positivamente H+ para formar gas hidrógeno H2. (Galvele, 2010) Desde un punto de vista conceptual, hay algunos puntos de importancia que conviene aclarar por lo que se respecta al flujo. de corriente eléctrica. El. concepto convencional de corriente supone un flujo desde un potencial positivo (+) a un potencial negativo (-). Esto puede llevar a una cierta confusión ya que la representación convencional del flujo de la corriente eléctrica es precisamente en la dirección opuesta al flujo de los electrones. Conviene recordar los siguientes puntos, en los términos del flujo de corrientes convencionales:. 1. La corriente eléctrica de acuerdo con la convención circula desde el polo positivo (+) al negativo (-) en un circuito eléctrico. Esto indica que en nuestro caso la corriente circulará del cátodo hacia el ánodo, a través del conductor metálico.. 8 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 2. En el electrolito, el transporte de la corriente eléctrica tendrá lugar entonces del ánodo al cátodo. 3. Habrá un consumo y por tanto la consiguiente pérdida de metal, en aquellos lugares del ánodo en que la corriente abandone el electrodo para pasar al electrolito. (Galvele, 2010). 1.3.2. ETAPAS DEL PROCESO DE CORROSION ELECTROQUIMICA. En todo proceso de corrosión electroquímica intervienen un cierto número de etapas en serie, de las cuales la más lenta será la que controle la velocidad del proceso global. Considerando un proceso simple de corrosión, con el electrolito neutro o alcalino, las etapas serian: a) Generación de electrones y cationes en la interfase metal electrolito, en las áreas anódicas de las celdas locales. b) Absorción y disociación de las moléculas de oxígeno, seguida de una ionización por medio de los electrones liberados en (a), en las áreas catódicas. c) Transporte de los productos de reacción, M2+ y OH-, hacia el seno de la disolución y a la vez de los reactantes (moléculas de oxígeno) en sentido contrario, a través de la capa de transito o difusión que rodea el electrodo. La fig. N°03 muestra estas etapas. (Evans R. 2013). Fig. N°03. Representación de las etapas parciales que intervienen en un proceso de corrosión. (https://es.slideshare.net). 9 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.3.3. VARIABLES QUE INFLUYEN EN EL COMPORTAMIENTO DE LA CORROSION. La resistencia a la corrosión de una aleación de aluminio depende de las variables metalúrgicas y ambientales. Las variables metalúrgicas que afectan la corrosión son la composición y la forma de fabricación. Estos determinan la microestructura lo que decide si la corrosión localizada ocurre y el método de ataque. Las variables ambientales químicas y físicas afectan la corrosión. La influencia química del ambiente depende de su composición y la presencia de impureza tal como iones de metales pesados. Las variables físicas son la temperatura, grado de movimiento y agitación, y presión. (Ramos. 2003). A) Variables Ambientales •. Efecto del agua: el agua puede aparecer en la forma de gotitas aisladas, como una película delgada de humedad condensada sobre una superficie de metal o como una solución acuosa. El agua en contacto con el aire contiene oxígeno disuelto, el cual debe estar presente para que la corrosión de un metal ocurra. (Ramos. 2003). •. Efecto del pH: con una regla general, la película de oxido protector es estable en soluciones acuosas en el rango de pH de 4 a 9. Y usualmente, la película de oxido es rápidamente soluble en ácidos fuertes y álcalis. Por lo tanto, la corrosividad de un ambiente no puede ser determinado solamente por el pH, porque la naturaleza de los iones individuales en la solución puede ser el factor controlante. (Ramos. 2003). •. Efecto del hidrogeno: el hidrogeno se disolverá en el metal o sus aleaciones en el estado fundido y durante los tratamientos térmicos cercanos al punto de fusión en atmosferas conteniendo vapor de agua o hidrocarbonos. En la solidificación, esto causa porosidad y empollamiento superficial lo que se conoce como la fragilidad por el hidrogeno. (Davies. 2015). •. Efecto de la. presión:. generalmente. la. presión. no. altera. significativamente la resistencia a la corrosión de los metales y sus. 10 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. aleaciones. Un incremento de la presión puede minimizar el daño por cavitación en casos especiales. (Davies. 2015) •. Efecto del movimiento del fluido: el movimiento de un fluido o gas corrosivo (incluyendo el vapor) sobre la superficie de los metales puede acelerar la velocidad de corrosión. La corrosión causada por los efectos de la velocidad está influenciada por la dureza del metal, velocidad del flujo, composición del fluido, temperatura y pH. (Davies. 2015) La presencia de solidos suspendidos en un líquido en movimiento puede acelerar el ataque de la corrosión por la ruptura de la película protectora. (Ramos. 2003). 1.3.4. ACEROS AL CARBONO El acero es una aleación hierro-carbono principalmente. Cubre una amplia gama de productos en la industria y la construcción, dada la gran diversidad de distintos tipos de acero, estos se clasifican en base a su contenido de carbono en: A) Acero de bajo carbono: Entre 0.08 hasta 0.25% en peso de carbono. Son blandos, pero dúctiles, muy trabajables. Se endurecen únicamente por carburación, utilizados en la industria automotriz, tuberías, elementos estructurales de edificios y puentes, varillas de refuerzo, corazas de barcos, etc. B) Acero de medio carbono: Entre 0.25-0.60% en peso de carbono. Para mejorar sus propiedades se tratan térmicamente. Son más resistentes que el acero de bajo carbono, pero menos dúctiles. Se emplean en la manufactura de piezas que requieren una alta resistencia mecánica y al desgaste. La soldabilidad requiere cuidados especiales. C) Acero de alto carbono: Entre 0.6-1.4% en peso de carbono. Son aún más resistentes que el acero de medio carbono, pero menos dúctiles. Se añaden otros elementos formando carburos (como el wolframio) para incrementar la dureza. Se emplean generalmente para la fabricación de herramientas. D) Aceros aleados: Los aceros aleados contienen en su composición química una proporción determinada de varios elementos con el fin de mejorar las propiedades físicas, mecánicas o químicas. Los elementos que se agregan pueden ser: carbono, cromo, molibdeno, vanadio cobre, tungsteno, cobalto 11 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. o níquel, en cantidades que exceden las cantidades mínimas establecidas, además de mayores cantidades de manganeso y silicio. (MIPSA, 2006). 1.3.4.1. TUBERÍAS DE ACERO AL CARBONO Las tuberías de acero al carbono cuentan con innumerables propiedades que las hace ideales para diversas aplicaciones. Son altamente resistentes, maleables y de bajo costo. En comparación con el PVC, son mucho más resistentes y menos costosas que el acero inoxidable. Además, poseen una alta resistencia a la presión. A. Tipos de tubería •. Tubos de acero sin costura: Los tubos de acero al carbono sin costura son utilizados principalmente para la conducción de fluidos y gases. Además, son aplicados en diversas industrias tales como, industria química, petroquímica, pesquera, sector minero, sector energía, entre otras industrias.. •. Tubos de acero con costura: Los tubos de acero al carbono con costura son utilizados para transportar estructuras, así como fluidos y líquidos (agua, vapor y gas).. B. Principales aplicaciones Estas tuberías son ideales para la conducción de fluidos, tales como agua, gas, vapor, aire, aceite, petróleo, productos derivados del petróleo, aguas tratadas, entre otros. Además, también son utilizadas como soporte estructural de naves industriales y vialidades. Dentro de las industrias, estas son utilizadas para cubrir diferentes necesidades como: •. Industria energética: Dentro de esta industria, las tuberías de acero son utilizadas para conducir el vapor que se crea en la generación de electricidad y a la vez, para enfriar las torres en las que se genera este vapor.. •. Industria hidráulica: Las tuberías de acero tienen como principal función transportar el agua potable, así como aguas tratadas y negras. 12. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. •. Industria del acero: Estas tuberías son utilizadas para transportar el agua utilizada para enfriar los molinos y el vapor que se libera durante los procesos de la planta.. •. Construcción: Las tuberías de acero son utilizadas como tubos estructurales y brindan soporte a las naves industriales. (DINCORSA, 2012). 1.3.5. DIAGRAMA DE POURBAIX La disolución metálica ocurre a través de diferentes reacciones entre el metal y el electrolito. Si la disolución ocurre a través de la formación de óxidos o hidróxidos, el potencial de equilibrio correspondiente depende del pH de la solución. La formación de productos solubles favorece la disolución metálica mientras que los productos insolubles pueden llegar a proteger al metal pasivándolo. Los diagramas de Pourbaix de potencial vs. pH, reúnen esta información en forma ingeniosa. Consisten en líneas horizontales, verticales y oblicuas. Las primeras corresponden a reacciones que no dependen del pH, tal como por ejemplo un metal que se oxida perdiendo dos electrones: M →M2++ 2eLas líneas verticales corresponden a reacciones que dependen del pH pero que son independientes del potencial tales como: M2++ 2H2O →M(OH)2+ 2H+ Las líneas inclinadas se relacionan con reacciones en las cuales hay un intercambio de electrones y cambio de pH, por ejemplo: M + 2H2O →M(OH)2+ 2H++ 2eEl plano Potencial / pH queda por lo tanto dividido en zonas en la que son termodinámicamente estables distintas especies químicas. No debe olvidarse que estos diagramas no informan sobre la velocidad a la cual tendrán lugar dichos procesos. (Del valle, 2001). Estos diagramas proporcionan una firme base termodinámica para la interpretación de las reacciones de corrosión. Dado que el potencial del proceso está relacionado con la variación de la energía libre de la reacción, es. 13 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. posible hallar las condiciones termodinámicas de equilibrio del sistema en función del potencial y expresarla en términos de pH. (Otero, 2001) Estos diagramas indican los campos de estabilidad de los metales y sus compuestos oxigenados en función del potencial y el pH. Sin embargo, debe insistirse que bien sirve de guía, debe usarse con precaución para hacer predicciones, puesto que en su elaboración no se tiene en cuenta las condiciones cinéticas de las reacciones. El principal uso de los diagramas de pourbaix que pueden ser constituidos para todos los metales son: •. Predecir si hay o no corrosión.. •. Estimar la composición de los productos de corrosión.. •. Predecir cambios del medio ambiente que ayuden a prevenir o reducir el ataque corrosivo. (Otero, 2001). 1.3.5.1. DIAGRAMA DE POURBAIX PARA EL HIERRO De acuerdo a la figura N°04, estos diagramas definen zonas en las que las especies químicas pueden estar como sólidos insolubles y solubles, como iones. Las zonas se dividen en: zona de pasivación, de inmunidad y de corrosión. (Hernández, 2017). Fig. N°04. Diagrama de Pourbaix para el sistema Fe-H2O. (https://www.researchgate.net/figure). 14 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. - ZONA DE PASIVIDAD El hidróxido de hierro forma una capa protectora en la superficie del metal, que reduce su actividad química y por lo tanto su velocidad de corrosión, por ello se le denomina zona de pasividad. - ZONA DE INMUNIDAD En esta región del diagrama la especie termodinámicamente estable es el Fe, por lo tanto, el metal es inmune y no sufre corrosión. - ZONA DE CORROSIÓN Las especies estables del hierro se encuentran como iones, por lo tanto, es una condición propicia para la disolución del metal. El diagrama de Pourbaix para el sistema Fe –H2O (fig. N|04) permite ver que a potenciales más positivos que –0.6 V(SHE) y pH menor que nueve, los iones ferrosos son la sustancia estable por lo que el hierro deberá corroerse en estas condiciones suministrando iones Fe+2 tal y como se indica en la ecuación: Fe → Fe+ + 2eEn el diagrama de Pourbaix para el sistema hierro -agua, la región azul indica que el hierro no se corroe bajo estas condiciones de potencial y pH, es decir si el potencial de corrosión del hierro se hace suficientemente negativo, por ejemplo –1.2 V, el fierro no se corroerá en ningún sistema que varié desde pH muy ácido hasta pH muy básico. Esta observación es el fundamento de la protección catódica del fierro. (Hernández, 2017). 1.3.6. ELECTRODOS DE REFERENCIA Los procesos que tienen lugar en la interface metal-solución de cualquier metal está en contacto con un electrolito. Los procesos que tienen (medio agresivo), no se pueden medir de una manera absoluta (tiene que ser tan solo relativa). El metal en contacto con el electrolito tiene por un lado tendencia a disolverse, con lo que queda cargado negativamente. Me → Men+ + neY, por otro lado, a que iones del electrolito se depositen sobre el metal: Men+ + ne- →. Me. Con lo que se alcanza el equilibrio en un determinado momento: Me ↔. Men+ + ne-. 15 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Se ha creado pues una diferencia de potencial entre el metal y el electrolito. Para poder medir esta diferencia de potencial se adoptó un electrodo patrón que es el electrodo normal de hidrógeno al cual por convención y a cualquier temperatura se le asignó el valor cero. (Ávila, 2009) Este electrodo está constituido por una lámina de platino-platinado sobre la cual se hace burbujear gas hidrógeno a la presión de una atmósfera, sumergida en una solución ácida (electrolito), cuya actividad de iones hidrógeno a 25°C es la unidad, de acuerdo con la reacción de equilibrio: 2H+ + 2e- →. H2. En las condiciones mencionadas, el potencial de este electrodo es únicamente función del pH, según la siguiente expresión: E = 0.059 pH Tomando como referencia el electrodo de hidrógeno, 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, en la cual el semi elemento metal/solución de sus iones actúa como polo positivo ósea de cátodo y el electrodo de H2 como polo negativo o ánodo, según la convención propuesta por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), universalmente aceptada. Lo anterior lo podemos representar de una manera esquemática como: -Pt, H2 (1 atm)/H+ (aH+=1) // Men+/ Me + Donde una barra indica la presencia de una interfase y la doble barra significa la presencia de una unión electrolítica o puente salino entre ambos semi elementos de la pila. En la convención propuesta el polo negativo o ánodo se coloca en el lado izquierdo de la pila, en la forma en que tiene lugar la reacción de oxidación: H2 → 2H+ + 2eLos electrones generados en esta reacción pasarán al otro electrodo, positivo o cátodo a través de un conductor metálico externo de cobre, por ejemplo, donde los iones Men+ serán reducidos. La reacción global del proceso será la siguiente: H2 + M → en- + 2H+ + Me El potencial de la pila propuesta se puede determinar a partir de: E pila = E cátodo + E ánodo 16 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Basándose en lo anterior, se pueden presentar dos casos: a). E pila > 0. b). E pila <0. El primer caso supone, dado que el electrodo de H2, por convenio se toma con un potencial de 0 voltios, que necesariamente el semi elemento que actúa como polo positivo debe de tener un potencial de reducción positivo, lo cual es términos energéticos equivale a decir que la reacción: Men+ + ne- ↔ Me Está desplazada hacia la derecha. Un voltímetro que uniera los dos semi elementos que constituyen la pila debería conectarse de tal manera que el polo (-) se uniera al electrodo de hidrógeno y el polo (+) al del metal. Es decir, el polo (+) de mayor potencial siempre (cátodo), se une a ese mismo polo del voltímetro y el polo (-) de menor potencial (ánodo), se une al negativo del voltímetro. En estas condiciones, la diferencia de potencial medida correspondiente a la pila formada, seria numéricamente igual al potencial de reducción del semi elemento derecho de la pila, Men+/Me. Si se construyen pilas de estas características, se podrían determinar los potenciales de reducción de todos aquellos semi elementos cuyo potencial es positivo o mayor que cero (el del hidrogeno). (Ávila, 2009) En el segundo caso, al ser el potencial de la pila menor que cero (negativo), esto implica necesariamente que el flujo de electrones irá en sentido contrario, es decir, que la producción de electrones se deberá a la oxidación (disolución) del metal del semi elemento de la derecha: Me → Men+ + neLo cual implica que la reacción esta desplazada hacia la derecha, favorecida energéticamente. Estos electrones suministrados serán tomados por el otro semi elemento y tendrá lugar a la siguiente reacción: 2H+ + 2e- → H2 La reacción global sería: Me + 2H+ ↔ Men+ + H2. 17 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Todos aquellos semi elementos que unidos a un electrodo normal de hidrógeno den un potencial de pila negativo, con la convención propuesta tendrán un potencial de reducción más negativo que el del hidrógeno o sea menor que cero. (Ávila, 2009) De esta forma se construye la serie electroquímica de los metales representada en la fig. N°05. (http://www.quimitube.com/limpiar-plata-metodo-casero). Fig. N°05. Serie electroquímica de los metales.. 18 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Las dificultades operativas que se presentan en el manejo de un electrodo de hidrógeno siendo demasiado frágil para la mayoría de las aplicaciones prácticas, han dado lugar a la utilización de otros electrodos de referencia que lógicamente deben reunir determinadas condiciones. Aparte de ser manejables y de construcción sencilla, la condición fundamental es que el potencial de equilibrio de la reacción de oxido-reducción (redox) que tenga lugar en ellos, permanezca constante respecto al electrodo de hidrógeno. En estas condiciones, en cualquier momento se podría inferir un potencial al electrodo de hidrógeno o viceversa. (Ávila, 2009) El electrodo de referencia más utilizado es el siguiente: 1.3.6.1. Electrodo de cobre/sulfato de cobre (Cu/CuSO4). Está formado por una barra cilíndrica de Cu sumergida en una solución de CuSO4 saturada. El contacto electrolítico con la solución o suelo se realiza mediante un puente salino formado por un tapón de madera balsa. En la fig. N°06 se ilustra este tipo de electrodo. (Ávila, 2009). Fig. N°06. Representación esquemática del electrodo de referencia Cu/CuSO4.. (https://www.researchgate.net). 19 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. La reacción de electrodo es la siguiente: Cu ↔ Cu2+ + 2eSu potencial de equilibrio a 25°C esta dado por: E = 0.340 + 0.0295log [Cu2+] v vs ENH Con la solución saturada de CuSO4 se tiene E = +0.318 v vs. ENH, pero para uso práctico se considera un valor de 0.30 v. este tipo de electrodo puede utilizarse en cualquier ambiente sea en el suelo, agua de mar o aguas dulces. Entre otras ventajas presenta la sencillez de su preparación y su gran estabilidad. Cuando se utiliza en agua de mar, puede contaminarse con cloruros por lo cual es aconsejable su uso en suelos y aguas dulces. (Ávila, 2009) Tabla N°01: Conversión aproximada entre las escalas de potencial relativas a los electrodos de referencia más utilizados. (http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx). 20 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. La equivalencia aproximada entre las escalas de potencial relativas a los electrodos de referencia utilizados en protección catódica, con indicación de los intervalos de corrosión, protección y sobreprotección para acero al carbono se muestra en la fig. N°07.. Fig. N°07. Equivalencia de potencial relativas a los electrodos de referencia utilizados en protección catódica. (http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx). 21 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(38) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.3.7. PROTECCIÓN CATÓDICA La corrosión es el resultado de una reacción electroquímica impulsada por una diferencia de potencial entre dos electrodos, un ánodo y un cátodo, conectados mediante un paso electrónico e inmerso en el mismo electrolito. En el caso de la corrosión uniforme, existen muchos sitios anódicos y catódicos microscópicos sobre la superficie de la estructura metálica. (Nace, 2006). Fig. N°08. Celda de corrosión microscópica. (http://www.revistasbolivianas.org.bo). El concepto de la protección catódica implica reducir a cero la diferencia de potencial entre los sitios anódicos y catódicos, obteniendo como resultado cero corrientes de corrosión. Esto puede lograrse imprimiendo corriente hacia la estructura desde un electrodo externo y polarizando los sitios catódicos se polarizan hacia los potenciales de todos los sitios catódicos alcanzan el potencial de los sitios anódicos más activos, se elimina la corrosión en la estructura. Ahora la estructura pasa a ser el cátodo de una celda de corrosión macroscópica intencional. La corrosión del metal cesara una vez que la corriente aplicada de protección catódica iguale o exceda la corriente de corrosión. (Nace, 2006) La corriente de protección catódica es suministrada desde un ánodo de protección catódico externo, corriente que circula a través del electrolito hacia el metal y reduce la diferencia de potencial entre los sitios anódicos y catódicos. (Nace, 2006) En la práctica se puede aplicar la protección catódica para proteger metales como acero, cobre, plomo, latón, aceros inoxidables y aluminio, contra la corrosión en todos los tipos de suelos, y medios acuosos. No puede emplearse. 22 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(39) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. para evitar la corrosión en áreas de metal que no están en contacto con el electrolito. (Procainsa, 2006) La protección catódica constituye el complemento más eficaz para la protección de elementos recubiertos con protecciones pasivas o aislamientos. La corrosión concentrada producida por los frecuentes fallos del aislamiento, quedará anulada por la presencia de un sistema complementario de protección catódica. Por tanto, la combinación de ambas técnicas es la solución económicamente más rentable contra la corrosión en medios acuosos (suelo o agua). (Procainsa, 2006) Los sistemas de protección catódica contra la corrosión, pueden aplicarse para proteger las siguientes instalaciones: (Procainsa, 2006) •. Partes externas e internas de barcos y submarinos.. •. Plataformas de perforación petrolera y equipos.. •. Sistemas de refrigeración con agua de mar: compuertas, mallas, etc.. •. Muelles, diques y boyas.. •. Intercambiadores de calor de aceros inoxidables.. •. Tuberías enterradas, gaseoductos y oleoductos.. •. Compuertas de canales.. •. Pilotaje sobre fondos marinos.. •. Tanques de almacenamiento.. •. Calderas, condensadores.. •. Estructuras de concreto para la protección de varillas.. •. Equipos industriales cuyas superficies se encuentran en contacto con algún electrolito corrosivo, etc.. 1.3.7.1. PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA El sistema de protección catódica con corriente impresa se llevó a cabo aproximadamente cien años después que el de los ánodos galvánicos. En este sistema de protección catódica se utiliza la corriente suministrada por una fuente continua para imprimir la corriente necesaria para la protección de una estructura, como se indicó con la Fig. N°09.. 23 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(40) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Fig. N°09. Protección catódica aplicada en una estructura. (http://www.inglcorrales.cl). Este procedimiento consiste en unir eléctricamente la estructura que se trata de proteger con el polo negativo de una fuente de alimentación de corriente continua (pura o rectificada) y el positivo con un electrodo auxiliar que cierra el circuito. Los electrodos auxiliares se hacen de chatarra de hierro, aleación de ferro silicio, grafito, titanio platinado, etc. Es completamente indispensable la existencia del electrolito (medio agresivo) que completa el conjunto para que se realice el proceso electrolítico. (Ávila y Genesca, 2011) Este sistema de protección catódica tiene la característica de que utiliza como ánodo dispersor de la corriente (electrodo auxiliar) materiales metálicos que en mayor o menor grado se consumen con el paso de la corriente. Sin embargo, el intercambio necesario de corriente con el electrolito tiene lugar a través de reacciones electroquímicas, las cuales dependen tanto del material anódico como del ambiente que rodea al mismo e incluso de la densidad de corriente que este suministra. Por ejemplo, en el caso de un ánodo de chatarra de hierro o de acero al carbono, la reacción electrolítica es la de disolución del hierro: Fe → Fe2+ + 2eY por tanto el ánodo se consume con el tiempo. Para aquellos ánodos que se pueden considerar insolubles o inertes, por ejemplo, el de titanio platinado, la reacción electroquímica puede ser: 4OH- → O2 + 2H2O + 4e2Cl- → Cl2 + 2eSegún el ambiente y la densidad de corriente suministrada por el ánodo. 24 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.