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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO EN INGENIERÍA
Estudio de nivel de corrosividad atmosférica del acero ASTM A-36 en Pimentel - Lambayeque 2016-2017
TESIS PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRO EN INGENIERÍA MECÁNICA
MENCIÓN:
GESTIÓN DEL DISEÑO Y MANUFACTURA
Autor: Br. Escobar Lozano, Hugo Enrique Asesor: Dr. Távara Aponte, Segundo Arístides
Trujillo – Perú 2021
N° Registro: __________
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JURADO DICTAMINADOR
_______________________________________
Dr. Ranulfo Donato Cárdenas Alayo PRESIDENTE
______________________________________
Dr. Alexander Yushepy Vega Anticona SECRETARIO
______________________________________
Dr. Segundo Arístides Távara Aponte
ASESOR
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DEDICATORIA
A Dios por estar conmigo, brindarme salud y permitirme encontrarme en este momento de mi carrera.
A mis padres, por el amor incondicional que siempre he recibido de ellos, son mi inspiración para crecer profesionalmente.
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AGRADECIMIENTO
A mis padres, por el apoyo incondicional que recibo de ellos hasta el día de hoy.
A mi asesor, Dr. Tavara Aponte, por sus consejos y apoyo durante todo el trabajo de investigación.
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ÍNDICE ANALITICO
DEDICATORIA... iii
AGRADECIMIENTO…... iv
RESUMEN... xi
ABSTRACT... xii
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN... 1
1.1 Realidad problemática... 4
1.2 Antecedentes o estado del arte... 5
1.3 Justificación... 59
1.4 Problema... 60
1.5 Objetivos………... 60
CAPÍTULO II: MATERIAL Y MÉTODO... 61
2.1 Objeto de estudio………... 61
2.2 Materiales y equipos………... 62
2.3 Método……….…... 64
CAPÍTULO III: RESULTADOS Y DISCUSIÓN……... 79
3.1 Porcentaje de masa destruido …... 79
3.2 Velocidad de corrosión atmosférica ... 80
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3.3 Variables climatológicas ...…... 84
3.4 Modelo matemático …...…... 85
CAPÍTULO IV: CONCLUSIONES ... 88
CAPÍTULO V: RECOMENDACIONES Y/O PROPUESTA ... 89
CAPÍTULO VI: REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS... 90
ANEXOS………... 96
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Medidas y pesos iniciales de las placas de acero ASTM- A36... 65
Tabla 2. Categorías de corrosividad atmosféricas según la ISO9223... 71
Tabla 3. Categorías de corrosividad de acero al carbono y su respectivo rango de
velocidad de corrosión de, rcorr, para el primer año de exposición. ISO 9223 ... 72 Tabla 4. Datos mensuales de los pesos de las probetas luego de exposición..... 81 Tabla 5. Datos logarítmicos de la corrosión mensual..... 85
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LISTA DE FIGURAS
Figura1. Representación de la relación entre la extracción de metales y la corrosión... 3
Figura 2. Corrosión química o seca de un metal... 11
Figura 3. Corrosión Electroquímica... 12
Figura 4. Tipos de Corrosión Electroquímica... 12
Figura 5. Corrosión Generalizada... 14
Figura 6. Corrosión localizada... 15
Figura 7. Corrosión por picadura... 17 Figura 8. Corrosión por resquicios de brida... 18
Figura 9. Serie Galvánica típica para metales sumergidos en agua de mar... 19
Figura 10. Corrosión Galvánica de válvula mariposa de bronce con un disco de titanio en presencia de agua de mar………... 19
Figura 11. Corrosión intergranular en chapa de acero inoxidable …... 21
Figura 12. Corrosión selectiva en una fundición ………... 22
Figura 13. Corrosión bajo tensión ………... 24
Figura 14. Corrosión fatiga de fuselaje de un avión ………... 24
Figura 15. (a) Superficie de fractura sometida a fatiga y (b) superficie de fractura sometida a corrosión-fatiga …... 26
Figura 16. Corrosión por desgaste de eje ..…………... 26
Figura 17. Corrosión microbiológica .…………... 28
Figura 18. Corrosión atmosférica del Hierro... 32
Figura 19. Esquema que muestra la idealización de la corrosión atmosférico sobre una superficie del acero... 36
Figura 20. Variación de la corrosión del acero con el tiempo de humectación, según ecuación empírica de Guttman y Sereda... 42
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Figura 21. Influencia del espesor de la humedad en la velocidad de la corrosión... 43
Figura 22: Variación de la corrosión anual del acero dulce y del Zinc en función de la contaminación por SO2 de la atmosfera... 48
Figura 23. Proceso cíclico de formación de herrumbre en atmosferas contaminadas por SO2... 49
Figura 24. Velocidad de corrosión del acero al carbono en función de la salinidad atmosférica... 51
Figura 25. Corrosión de un antiguo ómnibus de la Universidad Nacional de Trujillo.... 56
Figura 26. Ubicación del distrito de Pimentel... 57
Figura 27. Zona afectada por el niño costero en Perú... 58
Figura 28. Microestructura típica del acero ASTM-A36…... 62
Figura 29. Bastidor de madera con las placas de acero ASTM-A36... 63
Figura 30. Relación de placas con sus datos antes de ser instaladas... 64
Figura 31. Limpieza de probeta en detergente... 66
Figura 32. Ácido Clorhídrico y .Hexametilentetramina... 67
Figura 33. Limpieza de probeta en acido... 67
Figura 34. Secado de probeta... 68
Figura 35. Pesado de las probetas en balanza digital …...……... 68
Figura 36. Determinación de la masa del espécimen corroído según el ISO 8407... 69
Figura 37. Métodos para clasificar la corrosión atmosférica... 71
Figura 38. Estructuras corroídas en el lugar de estudio... 77
Figura 39. Placas instaladas a metros del mar... 78
Figura 40. Pérdida de masa de probeta 34... 79
Figura 41. Pérdida de masa de probeta 35... 80
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Figura 42. Pérdida de masa de probeta 36... 80 Figura 43. Comportamiento del desgaste en las placas durante el año de exposición... 82 Figura 44. Datos logarítmicos de la velocidad de corrosión durante el año de
exposición... 86 Figura 45. Datos logarítmicos de la velocidad de corrosión sin considerar los
meses de diciembre a febrero... 86
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RESUMEN
El presente trabajo de investigación tiene como objetivo principal determinar la corrosión atmosférica del acero de bajo carbono ASTM-A36 en el balneario de Pimentel, ubicado en la provincia de Chiclayo en el departamento de Lambayeque en el periodo comprendido entre agosto del 2016 hasta julio del 2017, se utilizó la norma ISO 9223 para categorizar el nivel de corrosividad. El acero ASTM A36 es un acero al carbono empleado en la mayoría de las construcciones. Se analizaron 36 probetas de acero, de las cuales han sido retiradas 3 muestras cada mes y estudiadas en el laboratorio de la sección de Ingeniería de Materiales de la Universidad Nacional de Trujillo. Las probetas fueron instaladas en el malecón Seoane que queda en la primera hilera de casas cercana a la orilla del mar. La velocidad de corrosión y el grado de corrosividad fueron determinadas mediante la pérdida de pesos de las probetas, así mismo se obtuvo información de las variables de humedad relativa y temperatura ambiente a las 07:00, 13:00 y 19:00 horas durante el periodo de evaluación. Como resultado de este estudio de tesis, hemos encontrado que en el distrito de Pimentel la categoría de corrosión supera ligeramente el límite de corrosividad alta llegando a los 50.13 µm/año (C4).
Mediante los datos obtenidos se ha realizado la ecuación que estima la corrosión atmosférica sobre probetas de acero al carbono ASTM A-36 en el distrito de Pimentel: C= 44.01 * t0.268. Proteger las estructuras de acero ASTM-A36 con un sistema de pintura a base de pintura epóxica, de 80 micras y acabado epóxicos o polimetano con 120 micras, aplicado en acero preparado superficialmente con el código Sa 2 ½ (chorreado abrasivo a metal casi blanco).
PALABRAS CLAVES: Corrosión atmosférica, nivel de corrosividad, categorización de la corrosión
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SUMMARY
The main objective of this research work is to determine the atmospheric corrosion of ASTM-A36 low carbon steel in the Pimentel spa, located in the province of Chiclayo in the department of Lambayeque in the period from August 2016 to July 2017, ISO 9223 was used to categorize the level corrosivity. ASTM A36 steel is a carbon steel used in most buildings.
36 steel specimens were analyzed, of which 3 samples have been removed every month and studied in the laboratory of the Materials Engineering section of the National University of Trujillo. The specimens were installed on the Seoane boardwalk that is in the first row of houses near the seashore. The corrosion rate and the degree of corrosivity were determined by the weight loss of the specimens, as well as information on the relative humidity and ambient temperature variables at 07:00, 13:00 and 19:00 hours during the evaluation period.
As a result of this thesis study, we have found that in the district of Pimentel the corrosion category slightly exceeds the high corrosivity limit reaching 50.13 µm / year (C4). Using the data obtained, the equation that estimates atmospheric corrosion on ASTM A-36 carbon steel specimens in the Pimentel district has been carried out: C = 44.01 * t0.268.
Protect the ASTM-A36 steel structures with a paint system based on epoxy paint, 80 microns and epoxy or polymethane finish with 120 microns, applied on superficially prepared steel with the Sa 2 ½ code (abrasive blasting to almost white metal).
KEY WORDS: Atmospheric corrosion, corrosivity level, corrosion categorization
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CAPITULO I INTRODUCCIÓN
Al caminar por las calles de nuestro país podemos encontrar diferentes estructuras de metal, ya sea en los postes y accesorios de alumbrado público, en las bancas de algunos de parques de la ciudad o las rejas en los exteriores de las casas, y es común ver estas estructuras en mal estado con una capa de herrumbre sobre ellas, esta situación es más crítica en los lugares cerca al mar debido a la brisa marina, esta situación no debería presentarse con tanta frecuencia en estas épocas que el campo de la corrosión atmosférica ha sido estudiada en diferentes partes del mundo y contamos con normas que nos permite medir el nivel de corrosión para los cuatro metales más utilizados en la industria como son el hierro, zinc, aluminio y cobre.
Desde siempre un problema que han tenido que enfrentar los metales es la corrosión, todos los metales se corroen como consecuencia de la tendencia a alcanzar un menor nivel de energía libre, la cual genera grandes pérdidas económicas, debido a que los metales pierden parte de su peso ya sea en forma localizada o en forma homogénea, reduciendo el espesor del material dando lugar a una menor sección que resista los esfuerzos de trabajo, por eso evaluar el grado y velocidad de corrosión es de gran importancia para determinar la vida útil de los aceros, así como sus condiciones de uso. Así mismo la corrosión atmosférica representa más fallas tanto en términos de tonelaje como en costo de cualquier otro tipo de corrosión ambiental (Syed, 2006).
Morcillo y Chico (2018) “consideraron que la corrosión de los metales es una de las áreas que exigen una aproximación multidisciplinaria muy demandante de la química y la electroquímica, pero también de la ciencia de materiales, de la física y la ingeniería” (p.15).
Según Dara y Umare (2003) “el secreto de la ingeniería efectiva reside en controlar en lugar de prevenir la corrosión, porque es imposible eliminar la corrosión” (p.175).
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Una de las formas más extendidas de destrucción de los metales y aleaciones es la corrosión de los metales en contacto con la atmósfera, a las condiciones atmosféricas están expuestas aproximadamente el 80% de las estructuras metálicas y más del 50% de las pérdidas totales por corrosión corresponden a la corrosión atmosférica. Otro dato que corrobora la importancia de este tipo de corrosión es que el 50% de los gastos dedicados a la lucha contra la corrosión es para combatir la corrosión atmosférica. (Rauchle y Diaz, 1987, p.29)
El estado de existencia más estable para un metal es su forma combinada, o dicho desde un punto de vista termodinámico, es el estado de más baja energía, ya sea en forma de óxido, sulfuro, cloruro, sulfatos o carbonatos. Lo que nosotros hacemos para extraer el metal es ir en contra de una reacción que ocurre espontáneamente en la naturaleza. (Ávila y Genescá, 1986, p.03)
El paso de metal a forma combinada fue cosa de millones de años. Lentamente, el metal iba pasando de un estado inestable a uno más estable que es la forma combinada. Aunado a esta transformación espontanea venia un cambio de energía. El sistema en proceso de transformación cedía energía lentamente y pasaba a un estado de energía mínima, a un estado estable, en equilibrio.
El metal libre, poseyendo una energía elevada y con fuertes tendencias a bajarla, tendera a estabilizarse, reaccionando con el medio ambiente y volviendo a su forma de mineral original. La mayoría de los metales ingenieriles que usamos, sufren esa tendencia después de ser obtenido en su forma libre. Por lo dicho se puede afirmar que cuanto mayor haya sido la cantidad de energía invertida en la obtención de un metal a partir de su mineral (térmica, eléctrica o de otro tipo), mayor será su tendencia a volver a combinarse para estabilizarse, el ciclo de transformación del metal al oxido y viceversa se muestra en la figura 1(Ávila y Genescá, 1986, p.03)
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Figura 1. Representación de la relación entre la extracción de metales y la corrosión.
(Ávila y Genescá, 1986, p.08).
A temperatura ambiente y en una atmosfera perfectamente seca la corrosión puede ser ignorada a efectos prácticos puesto que progresa a velocidad infinitesimal. “La corrosión solo es posible cuando la superficie metálica esta humedecida” (Gonzales, 1984, p.104). La corrosión atmosférica es de naturaleza electroquímica en donde el electrolito es una capa de humedad sobre la superficie del metal cuyo espesor varía desde capas muy delgadas (invisibles) hasta capas que mojan perceptiblemente el metal. La duración del proceso de corrosión depende sobre todo del tiempo durante el cual la capa de humedad permanece sobre la superficie metálica. (Ávila J y Genescá J, 1986, p.172).
Las pérdidas económicas derivadas de la corrosión pueden clasificarse en directas e indirectas, las primeras se relacionan con los costos de mantenimiento, costos de reposición (material, transporte y mano de obra), costos por averías imprevistas, costos directos por daños accidentales. Los costos indirectos son más difíciles de evaluar, sin embargo, algunas de las circunstancias más frecuentes que pueden acarrear este tipo de pérdidas son las interrupciones de producción, pérdidas de producto, pérdidas por rendimiento, contaminación de los productos, sobredimensionado y costos indirectos por daños accidentales. (Gómez de León y Alcaraz, 2004, p.14)
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La norma ISO 9226 nos permite categorizar los niveles de corrosión de un lugar determinado, para poder controlar su deterioro. Diferentes países cuentan con un mapa definido de corrosividad, situación que no sucede en Perú, a pesar de ser un país con gran variedad de microclimas; siendo necesario conocer el comportamiento de cada región. Es por ello que el presente trabajo de investigación determinó el nivel de corrosión de acuerdo a la norma ISO 9223 en el distrito de Pimentel del departamento de Lambayeque periodo 2016-2017.
1.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA
Con el paso del tiempo, la presencia de sales transportadas desde el mar y la humedad propia de la región costera favorece la disolución de los cloruros, los cuales reaccionan con las superficies de los diferentes componentes como es el caso de las estructuras metálicas, conductores eléctricos, entre otros materiales, generándose un proceso debido al ataque corrosivo que soportan durante su explotación. Cuando los elementos pierden su sección estos reducen drásticamente su resistencia a la tracción y a la fatiga, que eventualmente llevan a la rotura, de esta manera las expectativas de vida útil de los metales que están expuestos a la acción del medio ambiente se ven disminuidas. (Poma, 2016, p.01)
El Perú tiene dos agravantes en contra suyo (a) la industrialización ha progresado mayormente en la zona costera del país, es decir en zonas cerca al mar, (b) la alta humedad de esta zona junto con la ausencia de lluvias limpiadoras, inciden favorablemente en el progreso de la corrosión. (Rauchle y Díaz, 1987, p.23)
El presente estudio de corrosión ha sido realizado en el distrito de Pimentel que está ubicado en el departamento de Lambayeque del norte peruano, en la costa del océano
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pacifico, su propósito es estudiar la corrosión atmosférica, medirla y categorizarla de acuerdo con las pautas establecidas en la norma ISO9223. Estos resultados podrán ser utilizados para las futuras construcciones y se tenga en cuenta qué medidas tomar para evitar el pronto deterioro del acero.
1.2 ANTECEDENTES O ESTADO DEL ARTE
Desde que el empleo de metales y aleaciones domina la vida moderna, la corrosión se ha posicionado como uno de los enemigos naturales más perseverantes y silenciosos de las obras materiales del hombre. (Vásquez, 2018 p.10).
Según algunos autores, el primero en atribuir a la corrosión un mecanismo electroquímico fue De la Rive en 1830. Por aquel tiempo, acababan de descubrirse las pilas galvánicas y se supuso que durante la corrosión actuaban micropilas en el metal.
Años después, las investigaciones de Faraday dieron a conocer la relación cuantitativa entre la corriente eléctrica y la acción química. Las primeras ideas electroquímicas de la corrosión quedaron olvidadas en cierto modo, desarrollándose diversas teorías que concedían importancia fundamental al medio. (Zavaleta, 2012, p.07)
Entre los 30´ y 50´ se realizaron investigaciones de corrosión atmosférica por Vernon (1935) y Buckowiecki (1957), A. Donde determinaron que las capas de agua delgadas que están presentes en la superficie del acero son responsables de la corrosión atmosférica. Se comprobó, que la humedad crítica necesaria para desencadenar la reacción de corrosión estaba relacionada con los artículos de sal higroscópica. Esta fue la primera evidencia que la corrosión atmosférica no se puede describir como una reacción de oxidación simple, sino que debe discutirse en el marco de la cinética de reacción electroquímica.
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En los 60´ Schikorr, G (1963) fue uno de los primeros en discutir un mecanismo electroquímico único de la corrosión atmosférica. Durante este periodo de tiempo, la lluvia ácida y la corrosión atmosférica del acero provocado de ese modo fueron de gran interés. Schikorr desarrollo un modelo electroquímico (nido de sulfato), que explica la aceleración catalítica de la velocidad de corrosión en presencia de SO2 por la formación de ácido sulfúrico y la deposición de óxidos de hierro en zonas de pH disminuido.
En los 70´ Evans, U.R (1972) fue uno de los primeros en desarrollar un modelo de reacción electroquímica, que tuvo en cuenta explícitamente el mojado y secado continuo de la superficie durante la corrosión atmosférica. Considero por primera vez, además de la reducción de oxígeno, la reducción de hierro. Los óxidos son una segunda reacción catódica potencial y se dio cuenta que esta reacción solo podía tener importancia en condiciones de corrosión estacionaria, como humedecer una superficie seca. Por lo tanto, la corrosión atmosférica del acero sería claramente diferente del mecanismo de corrosión habitual del hierro en condiciones de inmersión.
Pourbaix, M (1974) también estuvo interesado en el comportamiento de corrosión cíclico de las superficies de acero durante la corrosión atmosférica y además trato de explicar el mecanismo específico de la corrosión del acero resistente a la intemperie.
Realizo varios ciclos húmedos/secos y descubrió la pasivación como un fenómeno para el acero resistente a la intemperie, que explico mediante una cinética particular de reducción de óxido.
Entre los 80´y 90´ Hoffmann, K y Stratmann, M (1993) se concentraron primero en los estudios que se referían a la reducción de la oxidación y la reoxidación utilizando electrodos de Au cubiertos de óxidos y encontró reacciones muy específicas que tienen lugar en la escala de interés potencial. Luego pudo demostrar la importancia de la
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disolución del metal y la técnica de reducción de oxígeno durante los ciclos húmedos/secos. Al comparar, ambas tasas, se pudo demostrar que la reducción de la oxidación juega un papel dominante durante la transición seca y húmeda de la corrosión atmosférica, Durante la transición húmeda/seca, se observan las tasas de corrosión más altas y estas tasas de corrosión están vinculadas a las propiedades electrónicas de los óxidos de hierro, que resultan de la reacción de reducción de óxido.
En los 90´ Leygraf, C y Graedel, T (2000) se han concentrado nuevamente en la adsorción de las especies gaseosas en la superficie de corrosión y las subsiguientes reacciones químicas que ocurren la capa delgada del electrolito. Estos estudios apuntan principalmente a una comprensión de la corrosión atmosférica de los materiales electrónicos.
En España en 1968 el grupo de investigaciones del centro Nacional de investigaciones Metalúrgicos (CENIM), dirigidos por los doctores S. Feliu y M. Morcillo, comenzaron a instalar en diferentes lugares de España, estaciones de seguimiento de corrosión con el fin de elaborar un mapa de corrosividad atmosférica.
Entre 1988 y 1995 se llevó a cabo el programa MICAT (mapa iberoamericano de corrosividad atmosférica) en el que participaron 14 incluidos el Perú. La metodología utilizada fue propuesta por la norma ISO y en el Perú las estaciones estuvieron ubicadas en Piura, Lima, Arequipa, Cuzco y Pucallpa. (Flores y Salas, 1996)
En el 2007 Oyola (2007), realizó un estudio de corrosión en la zona industrial de Talara, se expuso a la atmósfera durante un año probetas de Fe, Cu, Al y Zn en las estaciones de ensayo de la refinería Talara (Petroperú S.A) y parcela 25 (Petrotech Peruana S.A), para el fierro se encontró una categoría C4 (alto) para la refinería Talara y C3 (medio) para la parcela 25.
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En el 2008 Gonzales (2008), realizo un estudio de la velocidad de corrosión atmosférica del acero de bajo carbono (AISI 1010) y el cobre en la provincia de Chiclayo, se escogieron 6 puntos para la evaluación, a 0.3 Km del mar se encontró una corrosión alta C5, a 4.2 km se encontró una corrosión media C3 y a partir de los 10km se encontró una corrosión en los límites de media y baja.
En el 2013 Asmat y Jara (2013) , presentaron el trabajo de tesis de nivel de corrosividad y durabilidad del acero al carbono y zinc expuestos en la atmosfera de la provincia de Trujillo durante el periodo 2007-2011, en los resultados finales se encontró que la corrosividad del acero variaba de media C3 a muy alta C5, así mismo la durabilidad del acero y del zinc en la provincia de Trujillo en franja de 6-12 km el acero dura 13 años y el zinc 17 años, y en rangos mayores a 12 km ambos metales tiene una durabilidad de 18 años aproximadamente. Además, determinaron que en la franja de 0-2 km la corrosividad del acero obedece la ecuación C = 121.410 t1.0257.
En el 2014 Guerra (2014), realizó un estudio de la corrosividad del acero ASTM A-36 en el lote X ubicada en Talara de la petrolera Petrobras, el estudio fue realizado mediante pérdida de peso llegando a la conclusión que en esta zona la categoría de corrosividad es media C3 para las zonas cercanas al mar y baja C2 para las zonas alejadas o que tenían interrupciones geográficas que no permitían la libre dispersión de la brisa marina.
En el 2017, Alipio y Barboza (2017), realizaron un trabajo de investigación sobre las categorías de corrosión en la ciudad de Trujillo para el acero bajo carbono y el zinc electrolítico, se realizaron 3 instalaciones en lugares urbanos siendo una de ellas la ciudad universitaria de la UNT, como resultado se obtuvo que en dos lugares la categoría es media C3 y en la tercera es baja C2.
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En el 2018 Moreno (2018), evaluó la corrosividad atmosférica de las zonas costeras de Ancash y La Libertad mediante el desarrollo de un modelo computacional a partir de datos experimentales, esto se realizó sin la necesidad de ensayos de campo obteniéndose una categoría alta C4 para las regiones de Ancash y La Libertad.
En el 2018 las hermanas Asenjo (2018), presentaron el trabajo denominado “evaluación y caracterización de los recubrimientos epóxico, zincromato y bituminoso aplicados sobre el acero A36 expuestos a la atmósfera de las localidades de Chala, Camaná y Mejía mediante impedancia Electroquímica”, en este proyecto se evaluaron 3 estaciones del departamento de Arequipa en donde se utilizaron probetas desnudas planas de 100 x50x 2.75 mm, luego de 6 meses de exposición determinaron que mediante la técnica de pérdida de masa en Chala existe una corrosividad C5 (muy alta), mientras que en Camaná y Mejía, una corrosión C2 (baja).
1.2.1 Corrosión.
La National Association of corrosión Engineering (NACE) define la corrosión como un proceso natural de deterioro de los materiales a causa de su interacción con su medio ambiente.
El término corrosión suele referirse normalmente al ataque de los metales, aunque otros materiales no metálicos, como los cerámicos y polímeros, también pueden ser deteriorados por ataques químicos directos, pero en estos casos suele utilizarse el término degradación. (Gómez de León, 2004, p.13)
La corrosión es definida como un fenómeno natural por medio del cual los materiales expuestos a un medio expresan su tendencia hacia un estado de equilibrio estable.
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Teniendo en cuenta la corrosión metálica se puede definir como la reacción del metal o aleación con su medio, con el deterioro de sus propiedades mecánicas.
La corrosión no puede ser definida sin una referencia en el medio. Todos los medios son corrosivos en algún grado, entre los medios corrosivos más comunes tenemos:
(a) El aire y la humedad; (b) el agua dulce, destilada, salada y marina; (c) atmósfera natural, urbana, marina e industrial; (d) gases y vapor; (e) amoniaco; (f) sulfuro de hidrogeno; (g) dióxido de azufre y óxido de nitrógeno; (h) gas combustible; (i) ácidos; (j) bases; (k) suelos. Como se observa, la corrosión es una potente fuerza que destruye la economía, agota los recursos y causa fallas costosas y prematuras de las plantas, equipos y componentes. (Zavaleta, 2012, p.01).
1.2.2 Tipos de Corrosión.
1.2.2.1 Tipos de Corrosión según el mecanismo.
Es la de mayor relevancia desde el punto de visto científico, esta clasificación es útil cuando se estudian los mecanismos de ataque de la corrosión.
1.2.2.1.1 Química o seca.
Este mecanismo es puramente químico y supone una oxidación (en su sentido más estricto de pérdida de electrones por parte del metal) de toda la superficie por igual. Esta situación ocurre cuando los metales trabajan a altas temperaturas, en las que no es posible, la existencia de agua en su estado líquido. Es característico en este mecanismo que los productos de
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formando una barrera física que se opone al progreso del ataque posterior. Feliu, S. (1991, p.04)
Este mecanismo es característico de los materiales metálicos expuestos a gases y vapores calientes, y consiste en la relación química heterogénea directa entre la superficie metálica y un gas agresivo que generalmente es el O2.
Figura 2. Corrosión química o seca de un metal. (Feliu, 1991, p.04).
1.2.2.1.2 Electroquímica o Húmeda.
El proceso corrosivo tiene lugar en la formación de pilas electroquímicas microscópicas en zonas localizadas en un mismo material o en materiales distintos. El metal sufre disolución en las zonas anódicas. El proceso no afecta pues por igual a toda la superficie del metal, pues en las regiones catódicas no hay ataque, puede ser con un medio de conductividad electrolítica: metal + electrolito, en particular el agua, en disoluciones salinas, o la simple humedad de la atmosfera y de los suelos. De acuerdo
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con esto, la presencia de moléculas de agua sobre la superficie metálica es la condición necesaria para que ocurra corrosión electroquímica.
Considerando desde el punto de vista de la participación de iones metálicos, todos los procesos corrosivos serían electroquímicos, sin embargo, se restringe la denominación de corrosión electroquímica a la que implica un transporte simultáneo de electricidad a través del electrolito, condición que no cumple la corrosión química en la que no existe electrolito. (Zavaleta, 2012, p.04).
Figura 3. Corrosión Electroquímica. (Lean, 2018).
Figura 4. Tipos de Corrosión Electroquímica. (Lean, 2018).
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1.2.2.2 Tipos de corrosión según la morfología de ataque.
Esta clasificación permite evaluar los daños producidos por la corrosión.
Según Adler, T., Adler, M., & Agarwala, V. (1987) las formas de corrosión se separan en dos categorías: la corrosión que no está influenciada por ningún otro proceso y la que sí lo está, como la presencia de tensiones o erosión. En la primera categoría tenemos a la corrosión uniforme, corrosión localizada, corrosión con influencia metalúrgica y corrosión con influencia microbiológica. En la segunda categoría tenemos a la corrosión asistida por factores mecánicos y el agrietamiento inducido por el medio ambiente. (p.474)
1.2.2.2.1 Corrosión Generalizada o Uniforme.
Se trata de los casos en el que la corrosión se produce de manera pareja y uniforme, atacando prácticamente toda la superficie por igual. El metal se oxida de forma bastante homogénea y regular a lo largo de la mayor parte de la superficie, en la interfase entre el metal y el medio que lo rodea. El material pierde una delgada capa superficial, cuyo espesor está determinada por la velocidad con la que se produce el ataque y también por el tiempo durante el que haya sido expuesto el medio agresivo. En términos de pérdida de masa es el tipo de corrosión que más afecta el metal por lo que usualmente los diseñadores sobredimensionan las piezas para compensar el material que se sabe que se va a perder.
Los procesos de corrosión uniforme incluyen muchos fenómenos que en su mayoría tienen que ver con la corrosión acuosa o gaseosa, la corrosión gaseosa se asocia generalmente con ambientes de alta temperatura
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mientras que la corrosión atmosférica no se considera parte de la corrosión gaseosa porque su reacción se produce en una capa acuosa delgada sobre la superficie del metal.
Esta forma de corrosión es bastante común en los metales que están expuestos en la atmosfera, particularmente en ambientes industriales o zonas próximas a la costa del mar. También aparece con frecuencia cuando el ambiente es suelo, hormigón y aguas estancadas y salitrosas, en el hierro y el acero se caracteriza por su capa de herrumbre rojiza o negra que podemos ver en rejas o acero de construcción que ha quedado en la intemperie.
Figura 5. Corrosión Generalizada (Lean, 2018).
1.2.2.2.2 Corrosión Localizada.
La corrosión localizada se describe como la corrosión que se describe en ubicaciones discretas de un material, si bien esto es cierto y explica la denominación de esta forma de corrosión, también es el estado localizado del medio ambiente el que causa el ataque acelerado de los materiales.
De este modo, la propagación de las picaduras en las superficies metálicas pasivas, el ataque agresivo en el que dos metales se superponen
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para formar una hendidura, y el ataque filiforme distintivo en las superficies metálicas recubiertas con capas orgánicas delgadas resultan de diferencias en la metalúrgica de la aleación y debido a la química localizada del ambiente es diferente al de la mayor parte del ambiente.
Figura 6. Corrosión localizada (Lean, 2018).
Corrosión por picaduras.
Se trata de un tipo de ataque que se caracteriza por estar localizado en un área bien delimitada y generalmente pequeña. Las regiones vecinas al punto del ataque suelen permanecer intactas, aunque en algunas ocasiones las picaduras aparecen muy próximas unas a otras y dan la apariencia de una superficie rugosa.
Esta es una forma muy peligrosa de corrosión, porque el ataque afecta un sector pequeño, pero avanza implacablemente y en profundidad. La cantidad de masa que pierde el material puede ser insignificante, pero aun así las consecuencias son severas. Si se trata de una caldera o de un recipiente que contiene un gas a presión puede llegar a perforar completamente la pared, produciendo daños catastróficos. Lo mismo si la picadura ocurre en la pared de un tubo o cañería. Los casos más frecuentes de esta forma de corrosión se dan en partes metálicas sumergidas en agua de mar.
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No es fácil anticipar el lugar específico en que se va a producir una picadura, tampoco es trivial detectarlas. La corrosión por picado puede ir acompañada de cierto grado de corrosión generalizada y la acumulación de productos de corrosión en la superficie puede enmascarar el inicio de la picadura.
Los materiales más susceptibles a sufrir este tipo de ataque son aquellos protegidos por una película pasiva. Si por alguna razón, esta película tiene algún defecto, se inestabiliza o se disuelve localmente, allí es donde aparece la picadura. Muchas veces, el picado se inicia en los puntos del metal o aleación donde existen heterogeneidades en la superficie, que pueden estar asociadas a la composición, a la estructura metalográfica o a la presencia de imperfecciones de en el acabado superficial.
La aparición del picado también está claramente relacionada con la composición del medio con el que el material se encuentre en contacto.
A pesar de su excelente resistencia a la corrosión generalizada, los aceros inoxidables son particularmente vulnerables al ataque por picado. Hay aceros inoxidables especiales a los que se le incorpora níquel, molibdeno u otros elementos de aleación para volverlos más resistentes, pero ningún acero inoxidable es completamente inmune en todas las condiciones de servicio posibles.
Los ambientes típicos capaces de desarrollar corrosión por picaduras son el agua marina y en general las aguas que contienen iones cloro, sobre todo si están estancadas.
Para evitar este tipo de ataque conviene tener en cuenta lo siguiente:
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• Asegurarse que las superficies se encuentren descontaminadas, eliminado toda traza de hierro.
• Eliminar la capa de óxidos metálicos de los cordones de soldadura y de las zonas adyacentes.
• Evitar la sensibilización del material tanto en procesos de soldadura como por calentamiento.
Figura 7. Corrosión por picadura (Lean, 2018).
Corrosión por cavidades o resquicios.
Esta corrosión se puede representar cuando se presenten intersticios entre dos superficies acopladas de piezas metálicas del mismo o diferente tipo, o bien entre piezas metálicas y depósitos de cuerpos extraños, incluso no metálicos (microorganismos u otros depósitos de materiales).
Este tipo de corrosión ataca la superficie metálica que se encuentra oculta, por ejemplo, debajo de arandelas o cabezas de tornillo, en las roscas de tornillos o en accesorios de tubería en contacto con juntas, bajo sedimentos o solidos asentados, o bajo la flora marina.
Los medios para combatir este fenómeno son los siguientes:
• Evitar en la fase de diseño y proyecto la formación de intersticios abiertos hacia el ambiente corrosivo.
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• Durante el montaje, evitar que, por debajo de las juntas, especialmente en los bordes, queden aprisionados depósitos de suciedad, arena o polvo.
• Con un correcto diseño de las piezas y una cuidadosa limpieza de estas, evitar la formación de depósitos, incluso de materiales inertes.
Figura 8. Corrosión por resquicios de brida. (Lean, 2018).
1.2.2.2.3 Corrosión Galvánica.
La corrosión galvánica es una de las que más frecuentemente podemos encontrar. Es una forma de corrosión acelerada que aparece cuando se ponen en contacto eléctrico dos metales distintos y sumergidos en el mismo electrolito (incluyendo la humedad atmosférica). Inclusive, puede darse cuando hay contacto con dos piezas del mismo material, pero en distinto estado, por ejemplo, cuando se reemplaza un codo en la cañería, la parte vieja estará seguramente pasiva, con una capa protectora consolidada y el codo de repuesto puede en cambio estar brillante y bien pulido (y por tanto activo). Se puede entonces generar un par galvánico (o cupla), entre acero pasivo y acero activo. Visualizando la figura 9, podemos asegurar que cuanto más alejados entre sí estén los dos
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materiales que entran en contacto, más probable y más severo será el ataque del metal más activo. Sin embargo, no hay que olvidar que esta lista es válida en agua de mar y pequeños cambios en la composición del medio pueden tener efectos importantes sobre el avance de la corrosión.
Figura 9. Serie Galvánica típica para metales sumergidos en agua de mar. (Vásquez, 2018, p.29)
La corrosión galvánica suele convertirse en un problema recurrente en aquellas aplicaciones que requieren del uso de numerosos materiales diferentes. Por ejemplo, en la industria naval se utilizan diversos tipos de metales y aleaciones como son el acero en el casco, bronce en las hélices, acero inoxidable en los ejes del motor, aluminio en los mástiles y cobre en el cableado eléctrico.
Figura 10. Corrosión Galvánica de válvula mariposa de bronce con un disco de titanio en presencia de agua de mar. (Lean, 2018).
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1.2.2.2.4 Corrosión asistida por factores metalúrgicos.
La metalurgia incluye la recuperación de metales a partir de los minerales (metalurgia extractiva), la formación de metales en varias formas (metalurgia mecánica) y la comprensión de la interacción de las especies químicas, las orientaciones de los cristales y las dislocaciones en los metales y aleaciones. Todos estos procesos pueden influir en la composición, estructura, nivel de tensión e impurezas en los metales y aleaciones, por lo tanto, en comportamiento ante la corrosión.
Corrosión Intergranular.
Es un tipo de ataque selectivo localizado en los bordes de grano, dado que estos son ligeramente más reactivos que la matriz, cuya causa puede relacionarse con el hecho de que en los límites de grano existe una mayor concentración de impurezas y una menor concentración de elementos que confieren pasividad. Si el ataque progresa, pueden llegar a desprenderse granos completos.
En aleaciones de níquel y de acero inoxidable, es común agregar cromo como elemento de aleación, debido a que esta mejora la resistencia a la corrosión. En aceros, el contenido de cromo suele mantenerse alrededor de 12% como mínimo para asegurar la pasividad y la estabilidad de la capa superficial que protege a los aceros y los vuelve inoxidables.
Durante un proceso de soldadura o por causa de un tratamiento térmico inadecuado se favorece la formación de carburo de cromo, que se deposita en los bordes de grano. Así, en las proximidades de la región intergranular se ha consumido el cromo libre, quedando esta región
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expuesta a la corrosión en comparación con el resto del material. Para evitar la corrosión intergranular:
• Evitar calentar u enfriar lentamente en el rango de sensibilización (450 a 850°C).
• Emplear aceros con bajo contenido de carbono (aceros grado “L”), para evitar la formación de carburos de cromo.
• Emplear aceros estabilizados aceros con Titanio y/o niobio (columbio)
Figura 11 Corrosión intergranular en chapa de acero inoxidable (Lean, 2018).
Corrosión Selectiva
Abarca los casos intermedios entre la corrosión uniforme y la corrosión localizada (por picadura). El ataque no se distribuye de manera homogénea, localizándose en determinadas zonas de la superficie metálica. Se produce como consecuencia de micropares galvánicos presentes debido a la presencia de múltiples fases o constituyentes. Un caso particular de este tipo de corrosión es la descinficación, que consiste en la separación del zinc del latón en soluciones acuosas, particularmente en agua de mar. El zinc se disuelve y el cobre permanece en la aleación en forma de masa porosa, de consistencia casi nula, por lo que la estructura metálica falla a la más ligera solicitación mecánica.
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Figura 12. Corrosión selectiva en una fundición gris (Lean, 2018).
1.2.2.2.5 Corrosión asistida por factores mecánicos.
La corrosión asistida mecánicamente implica procesos donde las interacciones externas pueden influir en la velocidad de corrosión, algunos ejemplos son el desgaste, la cavitación, la corrosión por choque y la corrosión fatiga.
Corrosión bajo tensión.
La corrosión bajo tensión ocurre en algunos materiales metálicos bajo la influencia combinada de un entorno corrosivo y un esfuerzo de tensión (cargas externamente aplicadas o tensiones internas). Se trata de un mecanismo progresivo que termina provocando una fractura en el material metálico y que resulta en la característica aparición de fisuras muy ramificadas.
Aquí se debe tener en cuenta la sinergia, es decir la necesidad de que confluyan dos o más factores para producir determinado resultado. Por un lado, participan factores asociados a la situación de cargas mecánicas a las que se encuentra sometida la pieza, como así también asociados a la composición química del medio que lo rodea. Ninguno de estos factores
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presente de manera individual, o incluso alternada, sería capaz de producir el mismo efecto.
Las tensiones requeridas pueden ser el resultado de las cargas o esfuerzos han los que son sometido el material como resultado de la función que cumple (por ejemplo, los tensores de un puente colgante que soportan su peso). También puede tener su origen en tensiones residuales, que han permanecido en el material producto del proceso durante el cual se le da la forma final, o bien durante el montaje. Si las tensiones son cíclicas, el proceso suele denominarse corrosión-fatiga.
La mayoría de las veces, una falla debida a corrosión bajo tensión es imprevisible y puede aparecer tras pocas horas o luego de meses o años de servicios satisfactorios. Se encuentra frecuentemente, en ausencia de cualquier otro tipo de ataque corrosivo. Prácticamente todas las aleaciones pueden sufrir este tipo de ataque si se combinan un medio ambiente específico y un conjunto de condiciones externas. La corrosión de fractura bajo tensión rara vez tiene lugar si la temperatura es menos a 50°C.
Para evitar la corrosión bajo tensión, es importante:
• Ensamblar cuidadosamente las piezas para evitar cuerpos en tensión.
• Formar zonas superficiales de comprensión en aquellas partes sometidas ha estado de tensión mediante martillado, granallado y lamina superficiales.
• Eliminar las tensiones generadas en el proceso de fabricación.
• Realizar apropiadamente la soldadura para evitar estados de tensión en los cordones de soldadura.
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Figura 13. Corrosión bajo tensión (Lean, 2018).
Corrosión Fatiga.
La corrosión fatiga es un mecanismo de daño debido a la acción combinada de esfuerzos mecánicos cíclicos en un medio corrosivo. A diferencia de la corrosión bajo tensión, la corrosión fatiga se produce en todos los metales y aleaciones.
Se produce por la acción simultánea de dos factores: ambiente corrosivo y esfuerzos cíclicos provocando un efecto sinérgico que reduce significativamente el tiempo de nucleación y propagación de la grieta.
Figura 14. Corrosión fatiga de fuselaje de un avión. (Lean, 2018).
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Las características micrográficas de la corrosión fatiga son:
• Puede muchas veces ser difícil de distinguir de la falla por fatiga o incluso de la corrosión bajo tensión.
• En muchos casos la presencia de productos de corrosión no está presente (aceros de alta resistencia expuestos a vapor de agua o en aceros inoxidables).
• Las fisuras son normalmente transgranulares y la fractura presenta micro estriaciones (avance discontinuo del frente de la grieta).
Para evitar la corrosión fatiga debemos considerar lo siguiente:
• Seleccionar adecuadamente el tipo de material a emplear en función del ambiente corrosivo.
• Diseñar el componente de manera que se reduzcan al mínimo los concentradores de tensiones y la presencia de vibraciones durante el servicio del elemento.
• Actuar sobre el nivel de tensiones, ya sea disminuyendo los esfuerzos en servicio o las tensiones residuales.
• Los tratamientos superficiales que mejoran la resistencia a la fatiga (granallado, nitrurado) también incrementan la resistencia a la corrosión-fatiga.
• Modificar el medio de ser posible (variando el pH, la temperatura, la concentración de iones agresivos, etc.).
• Mediante protección catódica. Con este método se elimina el fenómeno de corrosión-fatiga (convirtiéndose solamente en fatiga) pudiendo ser un proceso contraproducente para algunas aleaciones.
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Figura 15. (a) Superficie de fractura sometida a fatiga y (b) superficie de fractura sometida a corrosión-fatiga. (Lean, 2018).
Corrosión por Desgaste.
También es conocida como corrosión por abrasión, se origina por el contacto continuo de una superficie metálica con un metal abrasivo que al depositarse sobre ciertos puntos de la superficie provoca la corrosión por aireación diferencial dando lugar a la formación de picaduras. Este tipo de corrosión puede ser prevenida mediante la eliminación de cualquier roce entre las superficies. El desgaste puede retardarse mediante la lubricación de las superficies en contacto mediante grasas o aceites.
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1.2.2.2.6 Corrosión asistida por factores microbiológicos.
Es también llamada corrosión inducida por microorganismos (CIM). Se produce en conducciones e instalaciones por la actuación de organismos microbianos (hongos, bacterias y otros microorganismos), ya sea porque estos fabriquen sustancias agresivas, tales como protones o iones sulfuro o porque actúan como catalizadores de las reacciones de corrosión.
La mayoría de los organismos activos son bacterias que reducen y oxidan compuestos de azufre como parte de su metabolismo, la principal característica de esta corrosión, por ejemplo, a las bacterias sulfato reductoras, es el hecho de que estas permiten que ocurra la corrosión en situaciones en las cuales no sería de esperar, a un pH neutro y en ausencia virtual de oxígeno. También los macroorganismos pueden contribuir a la corrosión al interferir con el acceso de oxígeno, dando lugar a la corrosión por aireación diferencial. Los macroorganismos proliferan en aguas calientes que se mueven muy lentamente, dando lugar a los ataques por picaduras y dificultando la transferencia de calor.
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Figura 17. Corrosión microbiológica (Lean, 2018).
1.2.2.3 Tipos de corrosión según el medio que la provoca.
1.2.2.3.1 Corrosión industrial.
La polución de un ambiente industrial se caracteriza por estar compuesta principalmente de compuestos de azufre, tal como el dióxido de azufre (SO2), precursor de la lluvia acida, y los óxidos de nitrógeno (NOx). El dióxido de azufre es absorbido por las partículas de polvo y oxidados bajo condiciones húmedas para formar ácido sulfúrico por un proceso catalizado por las partículas de polvo.
1.2.2.3.2 Corrosión marina.
Es un ambiente cargado de niebla, que contiene sales disueltas.
Estas partículas de humedad son transportadas por el viento y son depositadas en las superficies expuestas. Bajos ciertas condiciones de temperatura, estas sales se cristalizan. La cantidad de sal depositada variara con la velocidad del viento y en condiciones climáticas extremas puede formar una costra muy corrosiva.
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La cantidad de contaminación disminuye en la medida que nos alejamos del mar y se ve muy afectada por las corrientes del viento, temperatura ambiental y humedad relativa.
1.2.2.3.3 Corrosión rural.
Los ambientes rurales son los más benignos y no contienen contaminantes químicos fuertes. Los ambientes áridos o tropicales son variaciones especiales del ambiente rural. En los climas áridos no llueve, pero puede ocurrir ocasionalmente, una humedad relativa alta y condensación.
1.2.2.3.4 Corrosión en interiores.
Generalmente esta atmósfera se considera de muy baja corrosividad cuando la humedad y los contaminantes están bajo control. Sin embargo, algunas combinaciones de condiciones pueden causar problemas de corrosión relativamente severas.
1.2.3 Corrosión Atmosférica
El término corrosión atmosférica comprende el ataque al metal expuesto al aire en oposición al metal sumergido en un líquido. La corrosión atmosférica es el tipo más frecuente en los metales comunes (Naixin et. Al, 2002 p.44)
La corrosión atmosférica es un proceso electroquímico y por consiguiente tres son los componentes que la constituyen: el metal que se corroe, el agente corrosivo y el electrolito. Para que el metal se corroa los átomos neutros que lo componen deben perder electrones, abandonar su forma elemental y convertirse en especies con carga neta (iones). Para conseguir una configuración que minimice su energía y los haga más estables, los átomos
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pueden perder uno o más electrones dependiendo de cómo están acomodados los electrones en el átomo neutro. Como al perder electrones los iones quedan con cargas positivas, a la especie que se forma se denomina catión. A este proceso se denomina oxidación. Por razones históricas, esta denominación se debe a que en los primeros casos investigados el catión no estaba aislado, sino que la reacción conducía a la formación de un óxido. Como los electrones no pueden acumularse en la estructura del metal, se necesita una sustancia que sea capaz de captar esos electrones liberados. En los ejemplos más comunes, el metal está en contacto con aire o con algún medio líquido que contiene aire disuelto. En estos casos, es el oxígeno presente en el aire quien cumple la función de captar los electrones y como resultado del proceso se convierte en agua. Esta etapa, en la que una especie química acepta los electrones, se denomina reducción. Este nombre también tiene raíces históricas ya que en los procesos metalúrgicos (donde se extrae un metal a partir de un mineral) la captación de electrones está asociada a la disminución (o reducción) en el contenido de oxígeno en el mineral. Este concepto luego se extendió a todos los procesos donde una de las sustancias que reacciona, acepta electrones. Pero un metal y un entorno aireado tampoco son suficientes para que el proceso de corrosión avance.
Así como los electrones no pueden acumularse en el metal, tampoco los cationes pueden acumularse en la interfase entre el metal y medio aireado por lo que se necesita un tercer elemento, que es el agua el cual tiene la capacidad de disolver los iones que se generan, permitiendo que se alejen del sitio en el que se forman. La presencia de agua hace posible que los iones se muevan y
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así se cierra también el circuito de cargas positivas, que se producen en la oxidación y se consumen en la reducción. (Vásquez, 2018 p.32).
Los parámetros convencionales que pueden conducir a la corrosión del metal comprenden los factores de la intemperie tales como la temperatura, humedad, lluvia, radiación solar, velocidad del viento. Así mismo los contaminantes del aire como azufre, óxidos de nitrógeno y los cloruros contribuyen a la corrosión atmosférica. (Brown, 1982).
El proceso de corrosión atmosférica es suma de los procesos parciales (individuales) de corrosión que tienen lugar cada vez que se forma la capa de electrolito sobre el metal. Las precipitaciones acuosas (lluvia, nieve o niebla) y la condensación de humedad por cambios de temperatura (rocío) son, sin duda, los principales promotores de la corrosión en la atmósfera. Aún a HR inferiores al 100% la superficie metálica puede recubrirse de una película de humedad. (Morcillo y Chico, 2018 p.36).
Se considera que para que este proceso electroquímico ocurra, debe formarse una muy delgada capa de electrolito en la superficie metálica. S.Syed (2006) indica que esta capa se produce cuando se ha alcanzado una humedad crítica.
J.Santana (2005) reporta que la humedad crítica no es una constante y que varía de acuerdo a diferentes variables como la rugosidad de la superficie del metal que se corroe, capacidad de absorción de humedad de los productos de corrosión y de los sólidos polucionantes que se depositan en la superficie.
En presencia de electrolito de película delgada, la corrosión atmosférica se produce al equilibrar las reacciones anódicas y catódicas. La reacción de oxidación anódica implica la disolución del metal, mientras que a menudo se
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asume que la reacción catódica es la reacción de reducción de oxígeno, para el hierro estas reacciones se ilustran esquemáticamente en la figura 18. Cabe señalar que las concentraciones de contaminantes corrosivos pueden alcanzar valores relativamente altos en las películas de electrolito delgados, especialmente en condiciones de humedecimiento y secado alternativo. El oxígeno de la atmosfera también se suministra fácilmente al electrolito en condiciones de corrosión de película delgada. (Roberge, 2000, p.62).
Figura 18. Corrosión atmosférica del Hierro. (Pierre, 2000, p.62).
En el proceso catódico se asume que el electrolito de la superficie en capas suficientemente delgadas es neutro o incluso ligeramente ácido, entonces la reacción de producción de hidrógeno (ecuación 1) puede ignorarse para la corrosión atmosférica de la mayoría de los metales y aleaciones.
+ -
2H + 2e → H ...( 1 )2
Las excepciones a este supuesto incluirían un ataque corrosivo bajo los recubrimientos, cuando la producción de hidrógeno puede causar la formación de burbujas en el recubrimiento y otras condiciones de corrosión de la grieta.
La reducción del oxígeno atmosférico es una de las reacciones más importantes en las que se consumen los electrones. En presencia de contaminantes gaseosos
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del aire, deben considerarse otras reacciones de reducción que involucran ozono, azufre y nitrógeno. Para la corrosión atmosférica en una solución de electrolito casi neutra, la reacción de reducción de oxígeno se utiliza la ecuación (2)
- -
2 2
O + 2H O + 4e → 4OH ...(2)
El proceso anódico es representado en la ecuación (3) que corresponde a la etapa determinante de la velocidad de la corrosión atmosférica.
n+ -
M → M + ne ...(3)
La formación de productos de corrosión, la solubilidad de los productos de corrosión en el electrolito de la superficie y la formación de películas pasivas afecta la velocidad general del proceso de disolución del metal anódico y causan desviaciones con respecto a las ecuaciones de velocidad simple. Las películas pasivas se distinguen de los productos de corrosión, en el sentido de que estas películas tienden a ser más adherentes, son de menor espesor y proporcionan un mayor grado de protección frente al ataque corrosivo. El ataque corrosivo a la atmósfera en una superficie protegida por una película pasiva tiende a ser de naturaleza localizada. (Roberge, 2000, p.72).
La corrosión atmosférica es un proceso complejo, fundamentalmente es un proceso electroquímico en la interfaz metal- electrolito. Sin embargo, el electrolito está influenciado por la formación de la película, la evaporación, la composición, la química y la geometría. El electrolito también está controlado por el entorno local, como la temperatura del entorno, la convección del aire y la humedad. Los cuales a su vez son parámetros que están influenciados por el
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clima, la lluvia, el sol, las sales higroscópicas, por lo que se evidencia que la corrosión atmosférica es un proceso de múltiples escalas y multifísica, que debe modelarse con detalle para cubrir todos los aspectos. (Simillion, H., Dolgikh, O., Terryn, H. & Deconinck, J. 2014, p 03)
Se han propuesto secuencias de reacción relativamente complejas para los procesos de formación y descomposición de productos de corrosión para explicar las tasas de corrosión atmosférica observadas para diferentes clases de metales. Fundamentalmente, el modelo cinético en lugar de las evaluaciones de equilibrio parece ser apropiado para las condiciones dinámicas de humedecimiento y secado alternativos de la superficie que corroen la atmósfera. Graedel (1996) presento un modelo determinístico de escala múltiple para tratar los mecanismos fundamentales de la corrosión atmosférica, sobre una base teórica, basada en seis regímenes diferentes. Los regímenes en este modelo llamado tipo Gildes ocurren en: la región gaseosa (G), la interfase gas-líquido (l), superficie liquida (L), la capa de deposición (D), la capa electródica (E) y el sólido corrosivo que se conoce como (S). La cinética de la reacción es muy importante en los fenómenos que ocurren en la capa gaseosa, aquí ocurren fenómenos de ingreso y escape de especies a interfase líquida, efectos de radiación solar en las reacciones atmosféricas foto sensitivas y afectaciones de la fase gaseosa por cambios de temperatura. En la interface gas- líquido, ocurre la transferencia de moléculas al interior de la capa liquida, la fase liquida recibe especies de la fase gaseosa y otras disueltas se volatilizan hacia la fase gaseosa. El espesor de la película influye en la concentración de las especies, en las transformaciones químicas en el líquido y en reacciones que
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involucran iones metálicos, originados a partir de reacciones de corrosión electroquímica.
En la zona de deposición los productos de corrosión se acumulan tras su nucleación sobre la superficie del metal. Los productos de corrosión formados bajo condiciones de una película muy delgada a condiciones atmosféricas están estrechamente relacionados con sus formas minerales tal como ocurren en la naturaleza. Con el transcurrir del tiempo las especies termodinámicamente más estables tenderán a ser las más abundantes.
Cabe mencionar que la solución del electrolito puede quedar atrapada en el interior o bajo los productos de corrosión, esto dependerá de la resistencia al transporte iónico de las capas de productos de corrosión. Cualquier superficie corroyéndose tiene una compleja distribución de carga, produciendo en el electrolito adyacente una capa microscópica con propiedades fisicoquímicas que difieren del electrolito. Este régimen electródico influencia la cinética de la reacción. En el régimen sólido, son relevantes las etapas de disolución del sólido y sus características cinéticas. Las películas pasivantes tienden a constituir fuertes barreras al transporte iónico.
Se debe tener en cuenta que el modelo Gildes nos permite extendernos paso a paso y le da un significado físico a los procesos del sistema, sin embargo no incluye la influencia de la geometría como es la altura del electrolito en el régimen líquido que puede influir en los caminos de difusión y la dirección lateral del mismo. (Simillion. et al, 2014, p 23).
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Figura 19. Esquema que muestra la idealización de la corrosión atmosférica sobre una superficie del acero. (Gildes, 1996).
La complejidad y la naturaleza diversa de los contaminantes atmosféricos dificultan la predicción de la corrosión atmosférica. La interacción sinérgica de las variables también debe considerarse en el modelo para llegar a una solución definitiva. Un enfoque directo del problema es medir las tasas de corrosión observadas y los parámetros atmosféricos participantes y correlacionarlos. Las ecuaciones de correlación, así derivadas, se conocen como ecuaciones de daño y se ha encontrado que son extremadamente útiles, aunque de manera restringida ya que los resultados no son fácilmente transferibles de un lugar a otro. (Scully, 1990).
La corrosión atmosférica en las zonas costeras es un tema particularmente relevante debido a su gran trascendencia en la sociedad. Aproximadamente la mitad de la población mundial vive en regiones costeras. (Morcillo, 2018 p.29).
1.2.3.1 Tipos de corrosión atmosférica.
La corrosión atmosférica puede ser clasificada de manera conveniente como: corrosión seca, corrosión húmeda y corrosión acuosa. (Zavaleta, 2012, p.221)
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1.2.3.1.1 Corrosión seca.
Esta ocurre en la atmósfera con todos los metales cuya formación de su óxido es espontánea, es decir, presenta en su formación una energía libre negativa. El oro no se oxida, y esta propiedad es utilizada en el recubrimiento de componentes electrónicos donde no se puede tolerar, ni aún películas muy delgadas de productos de corrosión. En metales que forman óxidos no porosos, la película alcanza rápidamente un espesor límite, esto es debido a que a temperatura ambiente la difusión de los iones a través de la estructura del óxido es extremadamente lenta, formándose una película de óxido sobre lo metales no detectable al ojo humano.
Normalmente no son deseables las películas porosas y no adherentes que se forman espontáneamente sobre los metales no pasivables. Un ejemplo de una película no deseable a temperatura ambiente, lo constituye el enmohecimiento del cobre y la plata en un ambiente de aire seco con presencia de trazas de sulfuro de hidrógeno. Los sulfuros incrementan la probabilidad de defectos en la red del óxido y por lo tanto destruye la naturaleza protectora de la película, conduciendo a un empañado de la superficie. La humedad superficial no es necesaria para que ocurra el enmohecimiento, y en ciertos casos, talos como el cobre en presencia de H2S, la humedad puede retardar el proceso de enmohecimiento. En general, la corrosión seca a temperatura ambiente juega un papel mínimo en la corrosión atmosférica total, pero puede tener un efecto significativo en el comportamiento de los metales en aplicaciones particulares como por ejemplo los contactos eléctricos.
