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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
CÁTEDRA CORROSIÓN METÁLICA Y PROTECCIÓN
PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 1
PREPARACIÓN DE SUPERFICIES: GRADO DE LIMPIEZA Y DETERMINACIÓN DE LA RUGOSIDAD SUPERFICIAL OBJETIVO
Emplear materiales abrasivos usualmente especificados para la preparación de superficies metálicas correspondientes a sustratos de diferentes dimensiones y determinar el grado de limpieza y el perfil de rugosidad.
GENERALIDADES
Para los sustratos que requieren un sistema de pinturas para su protección, la selección del proceso de limpieza está directamente vinculada al estado inicial de la superficie, además de su naturaleza química, tamaño, ubicación, condiciones operativas, costos, etc.
La limpieza de las superficies en forma previa a la aplicación del sistema de pinturas tiene como objetivos eliminar los contaminantes y en muchos casos además para otorgarle rugosidad con el fin de mejorar respectivamente la adhesión química (relacionada con la compatibilidad entre el sustrato y la película de la pintura base o imprimación) y la adhesión mecánica (vinculada con el área específica de la superficie).
El manual “Elección de un proceso de limpieza” de la American Society for Testing and Materials (ASTM) clasifica la suciedad superficial en diferentes grupos (barnices y pinturas; grasas y aceites; virutas, compuestos de pulido; óxidos metálicos; etc.) y los relaciona con los métodos de limpieza más frecuentes. Sin embargo, con un criterio práctico, usualmente el objetivo del tratamiento de limpieza se lo clasifica para eliminar:
- Grasas y aceites (minerales y vegetales), partículas de polvo y sales solubles, restos de películas de pinturas deterioradas, etc.
- Escamas de laminación, capas de óxidos, polvo atmosférico, restos de películas deterioradas por acción del medio ambiente, quemadas en zonas de soldaduras o incrustadas por micro y macroorganismos (“biofouling”), etc.
PREPARACIÓN DE SUPERFICIES Y PROTECCIÓN POR RECUBRIMIENTOS
El comportamiento en servicio de una pintura o de un sistema de pinturas depende esencialmente de la naturaleza del sustrato y de las características del medio agresivo, de la preparación de la superficie, de las propiedades fisicoquímicas del o de los productos, de la compatibilidad entre las diferentes capas y de los espesores de película seca. Factores complementarios pero igualmente significativos son la forma de aplicación y las condiciones ambientales del secado / curado.
Los estudios realizados sobre grandes estructuras, particularmente en carenas de buques y tanques de la industria del petróleo, han concluido que en general las pinturas más económicas requieren luego del primer año una preparación de superficie no inferior al 20 % del total y que después de 4 ó 5 años es necesaria una completa reaplicación del sistema. Por su parte, las pinturas más eficientes y de mayor costo no necesitan preparación de superficie luego de un año y sólo un 5 al 10 % debe ser arenado o granallado después de 5 años. La vida útil estimada oscila en general entre 8 y 10 años, lapso después del cual debe repintarse la totalidad de la superficie.
Resumiendo el análisis de los costos a los factores preparación de la superficie, mano de obra de aplicación y materiales (pinturas y derivados) se observa que tienen en forma estimada una incidencia del 50-55, 25-30 y 20-25 % respectivamente, dependiendo del tipo de estructura, tamaño, forma y ubicación.
Considerando lo anteriormente mencionado, se concluye que las especificaciones para la protección de pequeñas piezas como así también de grandes estructuras industriales deben incluir sólo el empleo de sistemas protectores de alta eficiencia en servicio cuando se contempla una adecuada preparación de superficies. En resumen, resulta conveniente realizar una elevada inversión inicial con el fin de alcanzar una prolongada vida útil con mínimas tareas de mantenimiento preventivo y una amortización segura de dicha inversión.
SUPERFICIES DE HIERRO Y ACEROS
Estos materiales de construcción, muy particularmente el acero, son los más ampliamente utilizados por razones técnico-económicas en la fabricación de equipos e instalaciones. Desde el punto de vista de la limpieza y la preparación de la superficie, la principal suciedad está conformada por la grasa, el aceite, el polvo atmosférico, etc. mientras que otras sustancias también no deseadas son la escoria, la escama de laminación y la herrumbre. Las citadas impurezas son más nobles que el hierro y el acero (más estables desde un punto de vista termodinámico) y por lo tanto actúan catódicamente en presencia de humedad mientras que el sustrato de base se comporta como ánodo (disolución).
Además, si bien inicialmente las impurezas pueden estar firmemente adheridas, por dilatación y contracción térmica del material pueden desprenderse y en consecuencia generar discontinuidades propiciadoras de los procesos corrosivos.
Exceptuando las áreas que pueden presentar inicialmente escamas de laminación y productos de corrosión, el acero muestra un aspecto relativamente uniforme en lo referente a su mínima o nula porosidad superficial, particularmente en chapas o estructuras nuevas; esto último permite alcanzar una satisfactoria y homogénea adhesión sobre la totalidad del área adecuadamente preparada y protegida con revestimientos eficientes.
Las superficies de acero son reactivas frente a ácidos, cloruro, sulfuro y numerosos productos químicos, los que producen generalmente un rápido proceso corrosivo.
Por su parte, los aceros de baja aleación tienen como ventaja sus excelentes propiedades mecánicas, las que resultan particularmente útiles en áreas críticas de una estructura. Es conocido que los aceros de baja aleación tienen una mayor resistencia a la corrosión atmosférica que el acero al carbono: reducidos niveles de cobre, níquel, cromo y / o fósforo son particularmente ventajosos tanto cuando el metal está expuesto al medio agresivo desnudo o bien protegido con un revestimiento adecuado.
La reducida cantidad de óxidos sobre la superficie de los aceros de baja aleación causan menos deterioro al revestimiento (pérdida de adhesión, discontinuidades, etc.) que los voluminosos productos de corrosión del acero al carbono, prolongando la vida útil en servicio y disminuyendo simultáneamente los requerimientos para el mantenimiento, particularmente en aquellas tareas previas al repintado. Así, el empleo de aceros de baja aleación genera una reducción de costos de operaciones y materiales involucrados en la protección.
Resulta conveniente mencionar explícitamente que pequeños cambios en la composición del acero pueden afectar, durante su exposición en un mismo medio, la eficiencia de cualquier revestimiento aplicado.
El acero inoxidable en forma genérica es un adecuado sustrato sobre el cual se pueden aplicar revestimientos orgánicos con satisfactorio comportamiento en servicio debido a su alta inercia química, tanto cuando la exposición se realiza a la atmósfera como a reactivos químicos diversos. Sin embargo, su natural falta de rugosidad superficial puede generar pérdidas de adhesión del revestimiento, particularmente en condiciones de alta humedad o inmersión en medios acuosos; la mejora de la adhesión de la película protectora se alcanza otorgándole en forma previa a la aplicación del revestimiento un adecuado perfil de rugosidad.
Métodos de limpieza
Los estándares principales referentes a preparación de superficie son los establecidos por NACE (National Association Corrosion Engineers, norma estadounidense), BS 4232 (Brithish Standards Institution, norma británica), SIS 055900 (Swedish Standards Institution, norma sueca) y SSPC (Steel Structures Painting Council, norma estadounidense). Los métodos s e pueden clasificar en:
Limpieza manual: La limpieza manual es un método para preparar superficies metálicas para pintarlas, removiendo la cascarilla de laminado, la herrumbre y la pintura suelta con cepillo manual, lijado manual, raspado manual u mediante otras herramientas de impacto o bien por combinación de estos métodos.
Limpieza con herramientas eléctricas y neumáticas: La limpieza con cepillos eléctricos o neumáticos, impacto eléctrico o neumático, esmeril eléctrico o neumático o por la combinación de estos métodos es un método para preparar una superficie metálica para pintarla; se remueven la cascarilla de laminado, la herrumbre y la pintura no fuertemente adherida.
Exposición ambiental seguida de limpieza por chorro abrasivo: La exposición ambiental es un método para remover o desprender la cascarilla de laminado por oxidación natural de las superficies de acero expuestas a la intemperie. Se corroe el acero, así se debilita y desprende la cascarilla de laminación, dejando la superficie con herrumbre después que se ha quitado la cascarilla de laminación; posteriormente, las superficies deben limpiarse con chorro abrasivo.
El equipo de limpieza con chorro de arena considera un depósito de fluidización de abrasivo, un compresor o línea de aire comprimido, mangueras y boquillas. La limpieza abrasiva utiliza pequeñas partículas propulsadas por una corriente de aire o un chorro de agua para incidir en la superficie, eliminando contaminantes a través de la fuerza de su impacto. Existe una amplia variedad de medios abrasivos de diferentes tamaños para cubrir necesidades específicas.
La limpieza de superficies con materiales abrasivos se realiza para la eliminación de calamina, herrumbre, películas de pintura, incrustación biológica, etc.; produce en frío fuerzas de compresión por el impacto a alta velocidad de los diferentes agentes seleccionados según los requerimientos especificados; la dureza, la forma y el tipo de material influyen significativamente en los resultados. La selección se realiza según el método a emplear. Este método de limpieza permite además, de la remoción de las sustancias no deseadas dispuestas sobre superficie, aumentar la resistencia a la fatiga, descargar tensiones mecánicas y fundamentalmente otorgar rugosidad para facilitar la adhesión mecánica de los “primers”. No es eficiente para la eliminación de grasas, aceites, etc. y tampoco para estructuras muy irregulares.
Los materiales abrasivos más comunes se los puede clasificar en naturales (el más representativo de este grupo es la arena), en residuales (por ejemplo escorias de cobre) y elaborados (granallas de hierro y de acero, esferas de vidrio, partículas de material polimérico, nieve de CO2, etc.). La selección se realiza según el tipo de operación; para ciclo abierto (sin recuperación) se emplean materiales abrasivos naturales y residuales mientras que para ciclo cerrado (con recuperación) se especifican productos elaborados.
Abrasivos naturales: La arena es el abrasivo natural más ampliamente empleado; puede ser del tipo silíceo, dolomita u olivino. Los granos pueden presentar bordes suaves o con ángulos agudos. Este material abrasivo es de difícil reciclaje en relación a otros de naturaleza metálica.
El arenado se puede realizar en seco (el abrasivo es impulsado por aire a alta presión a través de una boquilla) o en húmedo (presión directa); la especificación de este abrasivo, particularmente en el arenado en seco, está restringida debido al peligro de silicosis.
La arena silícica, dado su bajo costo, es el abrasivo más usualmente especificado; debe estar exento de sales, grasas y aceites para no contaminar la superficie.
El desgaste que sufre la arena está íntimamente vinculado más con la estructura mineralógica que con la composición química; debe estar conformado preferentemente con un elevado contenido de cuarzo.
La arena silícea tiene además una elevada dureza por lo que los granos mantienen la distribución de tamaño durante su empleo. Este último debe controlarse exhaustivamente para alcanzar una adecuada limpieza: diámetros elevados (Norma ASTM E-11-61, inferior a malla 16, luz de poro 1,19 mm) no ingresan a las pequeñas irregularidades de la superficie mientras que los muy finos generan mucho polvo durante el proceso (superior a malla 80 de la citada norma, luz de poro 0,177 mm). El número de malla, que también se indica en meshes, indica la cantidad de aberturas de un tamiz por pulgada lineal.
El tiempo de limpieza también es función de la granulometría: resulta mayor para aquellas muy gruesas o muy finas y óptimos para las intermedias. Por su parte, la rugosidad Rm (mayor distancia entre un máximo y un mínimo consecutivos) también depende de la granulometría de la arena empleada; así, por ejemplo, con arenas muy fina (pasa malla 80), fina (pasa malla 40, luz de poro 0,420 mm) y mediana (pasa malla 18, luz de poro 1,00 mm) usualmente se alcanzan valores de Rm en el orden de 40, 50 y 60 micrometros, respectivamente.
Abrasivos residuales: La escoria de cobre es el material más frecuentemente empleado para la eliminación de calaminas, herrumbres, películas de pintura, biofouling, etc. en industrias diversas.
Abrasivos elaborados: Granallas de hierro fundido se emplean para la limpieza y preparación de superficies ferrosas previo a la aplicación del sistema de pinturas. Las granallas de forma afilada, elaboradas a partir de acero recompensado rico en carbón, exhiben una adecuada eficiencia en servicio; aquéllas, con una estructura de hierro blanco, finalizan su vida útil por fractura antes que por desgaste debido a su dureza.
También se recomiendan granallas de acero de diferente forma. Las angulares generalmente se fabrican por trituración de acero duro y luego se clasifican por tamaño. Por su parte, las granallas de acero esféricas se elaboran a partir de acero rico en carbono, derramando metal fundido en agua; posteriormente, se clasifican según el tamaño y se templan para mejorar la dureza superficial. Las angulares presentan una mayor velocidad de limpieza que las esféricas pero se fracturan más fácilmente.
Generalmente, las granallas de fundición recompensadas tienen una mayor capacidad de limpieza que las de acero debido a su mayor dureza pero consecuentemente con un índice de fractura más elevado. Resulta oportuno mencionar que ambos tipos de granallas deben protegerse contra la corrosión durante el almacenamiento con algún inhibidor temporal (por ejemplo, en fase vapor), particularmente luego de su empleo, para evitar la formación de óxidos contaminantes y la consecuente asociación de las granallas como así también la pérdida de material.
Las granallas de acero producen siempre, a igual condición operativa y tamaño / distribución de tamaño de las mismas, más rugosidad que la arena debido a la mayor densidad y consiguiente superior energía de impacto. Se diseñan mezclas de granallas de diferentes tamaños que reciben el nombre de mezclas operativas, según la naturaleza del sustrato, la condición inicial de la superficie y el grado de limpieza y la rugosidad requeridos; generalmente el tamaño nominal de las fracciones oscila entre 0,2 y 2,0 mm.
El impacto de las granallas sobre el sustrato provoca su rotura y desgaste; dado que la operación se realiza en un sistema cerrado por el alto costo del material abrasivo, se deben separar las impurezas, granallas partidas, óxidos y polvos, lo cual se implementa usualmente en ciclones. Además, se deben reponer las granallas (tamaño y cantidad) para alcanzar el mismo tamaño medio seleccionado como el adecuado para alcanzar el grado de limpieza y la rugosidad especificados.
Dado que un mismo tamaño medio se alcanza con diferentes composiciones granulométricas, se debe también considerar, al igual que lo mencionado para cuando se emplea arena como material abrasivo, que las grandes producen una mayor fuerza de impacto y por ende una superior rugosidad pero acompañado de un menor grado de limpieza mientras que las pequeñas generan una rugosidad más baja con una eficiencia en la limpieza más elevada. Las granallas se clasifican por tamaño empleando tamices industriales.
Forma operativa. La limpieza por chorreado con materiales abrasivos puede llevarse a cabo en seco y en húmedo.
La limpieza por chorreo seco es probablemente el método más eficiente pero desde el punto de vista medioambiental requiere una ventilación apropiada y el empleo de extractores de polvo y/o colectores de polvo con filtro de tela con un conducto adecuadamente diseñado. El chorreado con medio húmedo difiere del chorreo seco en que las partículas abrasivas utilizadas suelen ser mucho más finas y están suspendidas en agua tratada químicamente, formando una especie de lodo. Este sistema acuoso es bombeado y agitado continuamente
para prevenir su deposición y es impulsado por aire comprimido a través de una o varias boquillas dirigidas hacia la pieza de trabajo.
A diferencia del chorreo seco, el objetivo del chorreo húmedo no es la eliminación de las calaminas resistentes, rebabas o suciedad sino la producción de efectos relativamente leves sobre la superficie de la pieza de trabajo. Los líquidos más comúnmente utilizados para transportar las partículas abrasivas son aditivos a base de agua como los inhibidores y agentes humectantes.
PARTE EXPERIMENTAL
1. Determinación del estado inicial de la superficie de paneles de acero SAE 1010
Se empleará la norma sueca SIS 05 59 00 / 67 ya que es una de las más usadas a nivel internacional; esta contempla, con fotos patrones, los siguientes estados de herrumbre:
Grado inicial A: Superficie de acero con la capa de laminación totalmente intacta y
prácticamente sin indicios de corrosión
.
Grado inicial B: Superficie de acero con principio de corrosión y con ligero desprendimiento
de la capa de laminación.
Grado inicial C: Superficie de acero en que la capa de laminación fue ya eliminada por
desprendimiento debido a la formación de óxidos o bien que puede ser removida manualmente; no se observan cavidades visibles en gran escala.
Grado inicial D: Superficie de acero en que la capa de laminación fue eliminada totalmente
por desprendimiento debido a la formación de óxidos y sobre la que se detectan gran cantidad de cavidades visibles a simple vista.
2. Evaluación del grado de preparación manual
Se empleará también la citada norma sueca; sólo considera apto este método de limpieza para los grados iniciales B, C y D de la superficie y permite alcanzar dos grados finales, los que se indican con St 2 y St 3; la norma incluye fotos patrones para B St 2, B St 3, C St 2, C St 3, D St 2 y D St 3.
Los métodos manuales requieren la eliminación previa de las grasas, aceites, etc. con un tratamiento adecuado (solventes orgánicos, soluciones con agentes tensioactivos, etc.).
Grado final St 2: Limpieza minuciosa que permite remover las capas de laminación no muy
fuertemente adheridas, los óxidos y las partículas extrañas; luego, se trata la superficie con un aspirador de polvo, aire comprimido seco o bien con cepillo limpio.
Grado final St 3: La superficie se trata de igual manera que la indicada para alcanzar el
grado St 2 pero de forma más minuciosa; luego de eliminar el polvo, la superficie presenta un claro brillo metálico.
3. Clasificación del grado de preparación por chorreado
Se empleará también la citada norma sueca; considera apto este método de limpieza para todos los grados iniciales de la superficie y permite alcanzar tres grados finales, los que se
indican con Sa 1, Sa 2 y Sa 3; usualmente en la práctica por una razón técnico-económica, se incluye un grado intermedio Sa 2 ½; la norma también incluye fotos patrones. El grado final de limpieza se indica A Sa 2, B Sa 3, etc.
Estos métodos también requieren la eliminación previa de las grasas, aceites, etc. con un tratamiento adecuado (solventes orgánicos, soluciones con agentes tensioactivos, etc.).
Grado final Sa 1: Chorreado ligero; se eliminan las capas sueltas de laminación y de óxidos
como así también casi todas las partículas extrañas.
Grado final Sa 2: Chorreado minucioso; se remueven casi todas las capas de laminación, de
óxidos y de partículas extrañas. Luego de la limpieza con un aspirador de polvo, aire comprimido o cepillo limpio, la superficie adquiere un color grisáceo.
Grado final Sa 2 1/2: Chorreado muy minucioso; las capas de laminación se quitan casi de
manera perfecta ya que sólo se toleran ligeras marcas o rayas: Posteriormente también se debe proceder a la eliminación del polvo de la superficie.
Grado final Sa 3: Chorreado a “metal blanco”; se eliminan totalmente la capa de laminación,
los óxidos y los materiales extraños; luego de la eliminación del polvo de la superficie, esta adquiere un color metálico uniforme.
4. Cuantificación del perfil de rugosidad
En primera instancia resulta conveniente definir el concepto textura de la superficie; esta comprende:
La rugosidad o textura primaria: Se corresponde con la rugosidad producida por la acción
del material abrasivo.
La ondulación o textura secundaria: Depende de la que es inherente a la proviene del
sustrato como resultado del maquinado, vibraciones, etc.
En la experiencia, se empleará un medidor de rugosidad digital provisto de un palpador adecuado para metales, un graficador y un procesador de señales que calcula los diferentes coeficientes de rugosidad para la textura primaria de los paneles tratados manualmente y por arenado en seco en condiciones operativas prefijadas. Se establecerá la diferencia entre las principales formas de expresar la rugosidad de los citados tratamientos de limpieza; ellos son las siguientes:
La rugosidad total Rt: Mayor distancia que existe entre los puntos máximo y mínimo que se
encuentran en la longitud recorrida por el palpador del rugosímetro.
La rugosidad media Rz: Valor promedio de los valores que corresponden a la distancia
entre el pico más alto y el valle más profundo de los cinco tramos iguales en que se divide la longitud de medida.
La rugosidad máxima Rm: Mayor distancia que existe entre los picos y valles consecutivos
que se encuentran en la longitud recorrida por el palpador del rugosímetro.
La rugosidad media aritmética Ra: Valor medio de las distancias entre la línea media del
