Corrosión Corrosión en suelos suelos Revisión bibliográfica
Franky Esteban Bedoya Lora *
1.
Intr Introdu oducc cció ión n
los tanques de plásticos reforzados con fibra de vidrio hicieron su aparición, y su uso se hizo popular a partir de 1980, actualmente se han vuelto casi obligatorios debido a regulaciones y normas de seguridad. Finalmente los tanques de plásticos reforzados con fibra de vidrio se volv volvie iero ronn de uso uso comú comúnn y por lo tant tantoo el dete deterio rioro ro de estas estas estruc estructur turas as ya no recibe recibe tanta tanta atenci atención, ón, sin embargo Cheremisinoff el al. describen ben en detall detallee al. [2] descri los mecani mecanismo smoss de corros corrosión ión que se pueden pueden presen presentar tar en tanque tanquess enter enterrad rados os fabric fabricado adoss en acero, acero, y además además realizan un comparativo respecto a tanques fabricados con fibra de vidrio.
Existe mucha bibliografía sobre los procesos de corrosión en estructuras enterradas. Extensos estudios se han realizado desde hace mas de 30 años como los reportados por Romanoff [1] en los cuales se expusieron cerca de 37.000 probetas a 97 tipos de suelo diferentes durante 17 años. años. Organi Organizac zacion iones es para para la creaci creación ón de ensay ensayos os está estánd ndar ar como como la ASTM ASTM han han desa desarr rrol olla lado do métod métodos os que contribuyen a la interpretación de los procesos de corrosión en suelos. ¿A que se debe esta gran cantidad de bibliografía? La respuesta es sencilla. Miles de kilómetros de estructuras enterradas usadas principalmente para el transporte de agua, gas natural, petróleo e hidrocarburos refinados, siguen siendo siendo el mejor método para su comercio comercio y distridistribución. En la tabla 1 se reportan las extensiones aproximadas de tuberías enterradas: Lugar(Uso)
Extensión (km)
Canadá EE.UU EE.UU (Gas (Gas nnatu atural ral)) EE.U EE.UU U (Pet (Petró róle leo) o)
580.000 2.000. 2.000.000 000 280. 280.00 0000
Es fácil notar que el mantenimiento y reemplazo de toda esta infraestructura requiere grandes cantidades de esfuerzo y dinero, por esto al estudio del deterioro de materiales bajo suelo se le ha dada tanta importancia en las últimas últimas décadas. décadas. La corrosión de estructuras enterradas es un fenómeno elec electr troqu oquími ímico co,, en el cual cual la reac reacci ción ón anódi anódica ca es la oxidación del metal, mientras la catódica es la reducción del oxígeno, para que el proceso corrosivo se prolongue es necesario que ambas reacciones se den de manera simultánea.
Tabla 1: Cantidad de estructuras enterradas en EE.UU y Canadá
Si queremos estudiar los mecanismos de corrosión en El uso de tanques para almacenamiento se ha exten- suelos y obtener los medios para proteger las estructuras, dido debido al continuo crecimiento de la industria pe- es necesario definir que es el suelo, y que propiedades químicas tiene. tiene. trolera y química, por esto se ha hecho necesario el uso físicas y químicas de almacenamiento bajo tierra principalmente por los siguientes motivos:
2.
Los peligros de incendios son reducidos cuando los tanques se encuentran enterrados en tierra inerte.
Defin Definic ició ión n de de sue suelo lo
Según el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, la tierra es “La colección de cuerpos naturales ocupand ocupandoo porcion porciones es de la superfic superficie ie del pla planet netaa que soporta soportann las pla plant ntas as y que tiene tiene propie propiedad dades es dependependientes de efectos del clima y de la materia viviente que actúa sobre ella, que a su vez están condicionados por los periodos de tiempo”. En otras palabras la tierra es un sistema físico, químico y biológico, complejo y dinámico, que está en constante cambio. No hay dos suelos suelos que sean sean exacta exactamen mente te igu iguale ales, s, inclus inclusoo aun aunque que estén geográficamen geográficamente te cerca; cerca; además además sus propiedade propiedadess
No ocupan espacio abierto que puede ser usado para otros propósitos. Reducen la contaminación visual que generan los grandes tanques. Antes de 1960 los tanques se construían tradicionalmente en acero, mente acero, sin embar embargo go despué despuéss de esa década década *
Autor Autor responsabl responsable: e: Universi Universidad dad de Antioquia Antioquia,, Grupo de Corrosión y Protección, e-mail:
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1
dependen mucho de factores ambientales como la lluvia, temperatura, movimiento del aire, luz solar e incluso el paso del tiempo, que pueden pueden causar causar marcadas marcadas alteracioalteraciones en el suelo afectando directamente las velocidades y mecanismos de corrosión en metales enterrados.
que los últimos suelen ser húmedos, conductores y agresivos desde el punto de vista de la corrosión [3]. Una clasificación más detallada de los tipos de suelo se encuentra en la figura 1 [4].
Muchos esquemas se han propuesto para clasificar los tipos de tierra, sin embargo los sistemas de estructuras enterradas pueden ser tan complejos que su definición sigue dependiendo enteramente de los intereses de las personas que estudian los efectos y propiedades de la tierra en un sistema dado. Existen suelos como los que podemos po demos encontrar en pantanos, muskegs o turbas, que están compuestos principalmente de agua; una tierra tipo turba puede contener cerca de 95% 95 % de agua y un contenido contenido de 17 % de carbono en base seca, en cambio existen otros tipos de tierra que prácticamente no tienen materia orgánica y que consisten casi enteramente de material inorgánico. Las tierras tipo arena tienen cerca de 0.5 % de material orgánico mientras que las tierras tierras de pradera pradera aproximadame aproximadamente nte 6 %. Como se puede observar esta gran cantidad de clases de suelos puede producir variados tipos o mecanismos m ecanismos de corrosión.
3.
Fig. 1: Clasificación de tierras según el tamaño de partícula [ 4]
Sin embargo nunca se encontrará un suelo compuesto enteramente por partículas del mismo tamaño, es por esta razón que además del tamaño de partícula promedio, también se debe tener en cuenta la distribución del tamaño de partícula, o la proporción de estos tres tipos de suelo en una misma tierra, y los perfiles granulométricos que el suelo presenta según la profundidad. Otra clasificación de acuerdo a la distribución de tamaño de partícula se puede observar en la figura 2 [1].
Prop Propie ieda dade dess del del suel suelo o
El suelo es un medio bastante heterogéneo y sus características dependen bastante de la granulometría y concentración o capacidad de difusión de especies, por esto es preciso separar sus características físicas y químicas. 3.1. 3.1.
Propie Propiedad dades es física físicass
La cualidad física más importante de un suelo es su permeabilidad, sea relativa a la humedad o al oxígeno. La permeabilidad depende fuertemente de la granulometría o tamaño de partícula, por ejemplo, la arena provee una buena circulación de aire y por lo tanto provee suficiente oxígeno para producir reacciones de tipo catódico; por otro lado se puede tener suelos de tipo arcilloso que al ser de una textura tan fina tienden a retener la humedad pero que proveen una pobre aireación. Las tierras suelen clasificarse en tres grandes grupos de acuerdo a su granulometría: Arenas gruesas: 0.07 a 2 mm Cieno: 0.005 mm a 0.07
Fig. 2: Porciones de arena, cieno y arcilla en distintos grupos de suelos
[1]
Arcillas: menores a 0.005 mm
Los primeros son generalmente suelos secos y bien aiLa permeabilidad del suelo, medida en Darcies, está reados, con alta resistividad y poco agresivos, mientras altamente influenciada también por la distribución del 2
tamaño de partícula, y es un factor importante al considerar los mecanismos electroquímicos que suceden en acero enterrado porque controla el flujo de líquidos o gases en el suelo. La figura 3 relaciona la permeabilidad con el tamaño promedio de partícula (izquierda) y la amplitud de la distribución de la granulometría (derecha) [4 [ 4].
Granulometría Estado higrométrico Temperatura Compactación Esta propiedad usualmente se mide con el método de Wenner, este dispositivo consta de cuatro electrodos colocados en línea recta y a una misma profundidad de penetración, las mediciones de resistividad dependerán de la distancia entre electrodos y de la resistividad del terreno, y por el contrario no dependen en forma apreciable del tamaño y del material de los electrodos, aunque sí depende de la clase de contacto que se haga con la tierra. Como consecuencia del paso de corriente entre los electrodos de corriente (externos) se genera un campo eléctrico, de manera que los dos electrodos intermedios adquieren distinto potencial (ver fig. 4). Teniendo las lecturas de voltaje, amperaje y distancia entre electrodos, la resistivida resistividadd se puede calcular calcular usando la ecuación ecuación [3]:
Fig. 3: Variación de la permeabilidad en arena respecto al tamaño de
partícula promedio y granulometría [4]
Aunque no ha sido muy estudiado, el color de los suelos puede usarse para diagnosticar la permeación de oxígeno; un buen drenaje y temperaturas altas produce óxidos de Fe(III) que son de un color rojo característico. Suelos de color café o café-rojizo suelen indicar presencia de material orgánico. Colores amarillos o naranjas están asociados con tierras ligeramente húmedas debido a la presencia de óxidos de Fe(III) hidratados. 3.2. 3.2.
δ
=
dπ∆Ea I
Propie Propiedad dades es químic químicas as
Las propiedades químicas de un suelo pueden a su vez catalogarse en dos subgrupos: Composición química de elementos solubles en agua presentes en el suelo. Mineralogía Mineralogía y composición composición química de los suelos. Fig. 4: Esquema del dispositivo de Wenner para medir resistividad en suelos [3]
El primer grupo, junto con la humedad, está muy relacionado con la habilidad conductora del suelo, el cual es inversamente proporcional a su resistividad. El pH y la concentración de contaminantes (de origen orgánico o inorgánico) también juegan un papel fundamental en la corrosión de estructuras enterradas. Los suelos húmedos y conductores suelen ser más agresivos que los secos y resistivos, por esto es importante clasificar los suelos en función de la resistividad, la cual depende fuertemente de:
Existen otros métodos como el de Schlumberger, que no es más que una modificación del método de Wenner, y en el cual la distancia entre los electrodos centrales permanece constante, pero se varía la distancia de los electrodos de corriente con múltiplos enteros de la separación de los electrodos internos. El segundo grupo de propiedades está más relacionado con las caracterí característica sticass que tienen ciertos suelos debido a su composición química, generalmente se suele clasificar en:
Sales solubles Composición propia del terreno
Arcillas: se pueden agrupar en cuatro grandes grupos según su composición química, ver tabla 2 [4].
Estratigrafía 3
5.
Arena: compuesta principalmente por silicatos.
Facto actore ress que que influ influy yen en la corrosión rrosión de estructura estructurass enterra enterra-das
Carbonatos: contienen cal y dolomita, aun en pequeñas cantidad, pero suficiente para formar soluciones buffer que ayudan a la formación de carbonatos insolubles en la superficie de un metal protegido caYa conocidas las propiedades que caracterizan un suetódicamente, produciendo una capa impermeable y lo, se estudiará a continuación el efecto de cada uno de protectora. estos factores en la corrosión de estructuras enterradas:
Evaporites: son suelos que resultan de lagos u océa5.1. Aire Aireaci ación ón nos evaporados. Tienen un alto contenido de sales, 5.1. que se traduce en alta conductividad eléctrica, aceEl efecto de la aireación se basa en la cantidad de lerando lerando el proceso proceso de corrosión. oxígeno y humedad que alcanzan el metal. El oxígeno al combinarse con iones del metal forma óxidos, hidróxidos Las tierras también se puede agrupar de acuerdo a los y sales. sales. Si estos estos product productos os son solubl solubles es o remov removido idoss perfiles asociados a factores climáticos, entre los grupos de la superficie del metal, la corrosión continúa. Si los más comunes se tienen: productos no son removidos forman una capa protectora llegar a reduci reducirr la corros corrosión ión.. La aireac aireación ión Regiones áridas: bajo contenido orgánico, y pocos que puede llegar depende bastante de las propiedades físicas del suelo. minerales solubles debido a la baja precipitación. Alto contenido de sales. Algunas regiones con agua pueden actuar de manera bastante agresiva.
Los Los meta metale less en tier tierra rass con con bajo cont conten enid idoo de oxíoxígeno son generalmente anódicos cuando se comparan con Climas tropicales: alto contenido de minerales solu- aquellos con alto contenido de oxígeno. En general un bles debido a la gran cantidad de lluvia. Tempera- suelo muy bien aireado tiende a disminuir la corrosión turas cálidas tienden a aumentar la degradación de debido a que impide la retención de la humedad, y generalmente es de forma generalizada, es decir, sobre toda recubrimientos orgánicos. la superficie. Zonas templadas: tienen perfiles de suelos muy variados que dependen del régimen de lluvias. 5.2. 5.2. Co Con nteni tenido do de de Hume Humedad dad Condiciones árticas: los ciclos de congelamiento y La cantidad de humedad presente depende tanto de la descongelamiento afectan considerablemente el es- porosidad del terreno como de las condiciones climáticas. trés mecánico de las estructuras. En suelos muy húmedos, se mantiene sobre el metal una fina película de agua, y es a través de esta película por 4. Mecanismos de corrosión ión en donde tendrá lugar la difusión del oxígeno procedente de la atmósfera. Dado este fenómeno se pueden presentar suelos tres casos: El mecanismo de corrosión de los materiales metálicos enterrados es electroquímico, siempre y cuando exista un mínimo de humedad. La reacción anódica en estas condiciones es la disolución del metal: Me → Me
+
n
En terrenos muy húmedos la reacción anódica se despolariza, pero la catódica se dificulta debido a que el oxígeno debe disolverse en agua para penetrar y llegar al metal, como en los suelos no existe convección forzada, forzada, el proceso proceso está bajo control control catódico.
+ ne
−
Cuando el suelo es muy seco y no hay presencia de película húmeda conductora, la corrosión tiende a ser nula o mínima debido al control anódico (alta resistencia).
La reacción catódica cuando existe reducción por presencia de oxígeno es: O2 + 2 H 2 O + 4 e
−
→ 4OH
−
Los terrenos agresivos son por lo tanto, aquellos que En terrenos ricos en material orgánico producidos por presentan niveles intermedios de humedad. actividad bacteriana, la presencia de H + puede llegar a ocasionar una reducción catódica según la siguiente En general, los suelos húmedos y conductores son más reacción: agresivos que los secos y resistivos. La humedad también está muy relacionada con la disponibilidad de iones, ya + 2H + 2 e → H 2 que estos se pueden pueden difundir difundir más fácilment fácilmentee y disminuir disminuir −
4
Característica Ocurrencia Clase estructural Tamaño de partícula ( µ) Permeabilidad Absorción de agua Área superficial superficial (m2 /g) Capa Capaci cida dadd de inte interc rcam ambi bioo cati catión ónic icoo (meq/100 g) Capacidad de intercambio aniónico (meq/100 g) Plasticidad
Caolín Común 2 Capas 4.0-0.3 Alta Leve 5-20 Lev Leve 7-12
Illita Abundante 3 capas 0.3-0.1 Moderada Moderada 100-200 Mode Mo dera rado do 18-24
Clorita Común 3 capas 0.3-0.1 Moderada Moderada Modera Mode rado do 25-30
Montmorillonita Co Común 3 capas 0.2-0.02 Pequeña Muy alta 700-800 Alto Alto 90-100
7-20 Leve
4-17 moderada
5-20 Moderada
20-30 Alta
Tabla 2: Propiedades de los grupos principales de arcilla mineral [4]
considerablemente la resistividad del suelo. Básicamente Para metales sin protección catódica, los suelos se claexisten tres fuentes de agua: sifican de acuerdo a su agresividad en función de la resistividad, tal como se presenta en la tabla 3 [4]. ValoAgua gravitacional, proveniente de las lluvias o nie- res comunes de resistividad para varios tipos de suelo se ve. pueden observar en la figura 6 [5]. Se destaca también la Agua capilar, la cual es retenida dentro de los capi- figura 7 [5], la cual correlaciona el pH y la resistividad con el tiempo de vida útil de tuberías de acero galvanizalares o porosidades porosidades del suelo. suelo. do, se debe tener en cuenta que este tipo de nomogramas Agua subterránea, resultado histórico de la acumu- desprecia otros efectos que pueden ser relevantes, como lación de agua gravitacional. los factores biológicos. Se define, entonces, la tabla de agua ( water table ) o capa freática como la profundidad en donde la zona de agua saturada forma una fase continua en el suelo y no cambia su concentración con la profundidad. En la figura 5 [4] podemos encontrar un esquema de las zonas de agua que normalmente se encuentran en los suelos.
Rango de resistividad resistividad (Ωcm) 0 - 10 1000 1001 - 2000 2001 - 5000 5001 - 10.000 > 10.000
En términos de corrosión, corrosión, una humedad humedad mayor mayor a 20 % puede ser potencialmente agresiva, pero puede resultar bajo la forma de corrosión uniforme. Humedades menores a 20 % suelen suelen generar generar corros corrosión ión por picadu picadura. ra. Este efecto se puede explicar como resultado de aireación diferencial, generando gradientes de oxígeno y propiciando la formación de una pila en el suelo. Es de resaltar que, de manera similar a la aireación, existen perfiles de humedad en el suelo, por lo tanto la posición de la estructura en relación con la capa freática es de importancia para la estimación estimación de la corrosión. corrosión. 5.3. 5.3.
Corr Corros osiv ivid idad ad Muy severo Severo Moderado Ligero Muy ligero
Tabla 3: Clasificación de suelos de acuerdo a su resistividad [4]
Resist Resistivi ividad dad del suelo suelo
En general se considera que a bajas resistividades (alto contenido de electrolitos) la corrosión de una estructura enterrada aumenta. Sin embargo esto solo aplica para metales que no están bajo protección catódica, ya que ésta se torna más efectiva cuando la resistividad también es baja. Fig. 6: Resistividades típicas de algunas aguas y suelos
5
Fig. 5: Esquema de las zonas de agua en suelos [4]
sio. Los aniones cloruro y sulfato contribuyen a la corrosión ya que pueden romper localmente películas pasivas, facilitando la aparición de corrosión por picadura en el caso del cloruro, y por su posible partición en reacciones biológicas con baterías sulfatorreductoras en el caso de sulfatos. En la tabla 4 se pueden estimar los grados de corrosión asociados a la concentración de cloruros y sulfatos sulfatos [5]. Concentr Concentración ación (ppm) Cloruro > 5000 1500-5000 500-1500 < 500 Sulfato > 10000 1500-10000 150-1500 < 150 pH < 5.5 5.5-6.5 6.5-7.5 9-7.5
Fig. 7: Tiempo de vida estimado de acero galvanizado en suelos [5]
5.4. 5.4.
Con Co nteni tenido do de ione ioness
La concen concentra tració ciónn de ion iones es está está mu muyy ligada ligada con la resistividad, mientras más concentración de sales más conductor el suelo, y por tanto menor su resistencia. Sin embargo hay ciertos iones que tienen el efecto opuesto. Los Los ione ioness de calc calcio io y ma magn gnes esio io gene genera rann carbo carbona nato toss insolubles que se depositan en la superficie del metal resu result ltan ando do en una una baja veloc velocid idad ad de corr corros osión ión;; por otro lado, estas incrustaciones pueden generar corrosión diferencial debido a la dificultad del oxigeno para llegar al metal en las partes con presencia de estas capas de material insoluble.
Grado Grado de de corrosivida corrosividadd Severo Considerable Corrosivo Leve Severo Considerable Corrosivo Insignificante Severo Moderado Neutral Insignificante
Tabla 4: Efectos de clururos, sulfatos y pH en la corrosión de tuberías de acero enterradas [5]
5.5. pH Entre las sales más comunes presentes en los suelos están los silicatos y carbonatos de calcio y magnesio, óxidos Los suelos generalmente tienen un pH de 3.5 a 10. de aluminio y hierro insolubles, y otras sales solubles co- Tierras con material orgánico tienden a ser ácidas, al mo cloruros y sulfatos de sodio, potasio, calcio y magne- igual que suelos minerales con presencia de dióxido de
6
carbono, gas que usualmente se encuentra en aguas profundas. Para estas condiciones se promueve la reacción catódica por reducción de H + . La corrosión de acero y hierro hierro aum aumen enta ta consid considera erable blemen mente te a pH men menore oress a 4. Sin embargo, los terrenos generalmente son de tipo alcalino, condiciones en las cuales no resulta ser muy agre agresi sivo vo,, aque aquello lloss que que pres presen enta tann pH super superio iore ress a 9 originan la corrosión alcalina en metales anfóteros que se disuelven formando aniones solubles, como los ferritos, cincatos, aluminatos, etc. Una clasificación general de la agresividad de los suelos respecto a su pH se presenta al final de la tabla 4 [5].
valor abstracto puede ser de ayuda en la predicción de la corrosividad en suelos. La tabla 5 pretende clasificar la agresividad de los suelos dependiendo de su potencial redox [4]. Al dar una idea de la cantidad de oxígeno disuelto en el suelo, el potencial redox informa sobre la posibilidad de un ataque corrosivo al metal favorecido por bacterias anaeróbias como las sulfatoreductoras. Rango de ORP (mV) (mV) <100 100-200 200-400 >400
Con un nivel de detalle mayor, en la figura 8 se presenta un nomograma que relaciona el pH, la resistividad y las velocidades de corrosión para una tubería de acero enterrada, es importante resaltar que este nomograma ignora factores microbiológicos y el potencial redox del suelo, por lo tanto se recomienda el uso para condiciones aerobias [4 [4].
Grado de Corrosión Corrosión Severo Moderado Leve No corrosivo
Tabla 5: Clasificación de la corrosividad de suelos respecto al potencial
redox [4]
5.7. 5.7.
Micr Microo oorg rgan anis ismo moss y otro otross fact factor ores es biológicos
La influencia de microorganismos en la corrosión por suelos esta bien documentada, sin embargo, la mayoría de estudios se han centrado en el efecto de bacterias sulfatorreductoras, las cuales se identifican como las responsables de los casos de corrosión mas severos; este proceso se da para ambientes anaerobios, húmedos y en terrenos denominados como tierras negras. Estas bacterias en su metabolismo convierten el sulfato presente en aguas subterráneas en sulfuros, causando la precipitación de sulfuros de hierro negros asociados a la corrosión agresiva en sistemas de tuberías. Un esquema de este proceso se puede observar en la figura 9, la reacción total que se suele dar en este proceso es la siguiente [4]: +
8H + 4 F e + SO 4
2
−
→
F eS + 3 F e+2 + 4 H 2 O
Fig. 8: Tiempo de vida estimado de acero galvanizado en suelos [4]
5.6. 5.6.
Potenci otencial al redox redox
El potenci potencial al de oxida oxidació ción-r n-redu educci cción ón (ORP) (ORP) de un suelo es el potencial generado por un electrodo inerte como el platino, respecto a un electrodo de referencia por ejemplo de calomel saturado o sulfato de cobre/cobre. Es de anortar que no es directamente una medición de la concen concentra tració ciónn de oxíge oxígeno, no, sino sino un ind indica icador dor de la Fig. 9: Tiempo de vida estimado de acero galvanizado en suelos [ 4] capacidad reductura/oxidante del suelo. En condiciones aerobias la concentración de oxígeno será alta y por lo Como se ha dicho anteriormente, los suelos ácidos suetanto el ORP será más positivo que bajo condiciones len estar asociados con material orgánico en descomposianaerobias. Se ha demostrado que el ORP aun siendo un ción, esta concentración de ácidos orgánicos se atribuye 7
Parám Parámetr etros os del suelo suelo Resistividad (Ωcm) < 70 0 700-1000 1000-1200 1200-1500 1500-2000 >2000
a bacterias productoras de ácidos (APB), que a diferencia de las bacterias sulfatorreductoras no necesariamente se presentan bajo condiciones anaerobias. Existen otros microorganismos o efectos biológicos que pueden atacar las estructuras como: Organismos productores de cieno que pueden depositar residuos y generar la formación de celdas por aireación diferencial.
0-2 2-4 4-6.5 6.5-7.5 7.5-8.5 >8.5
Raices enterradas que crecen lo suficiente como para causar daños físicos a recubrimientos o estructuras.
Dete Determ rmin inac ació ión n de la corro corrosi sivi vi-dad de los suelos
Humedad
Siempre húmedo Generlamente húmedo Generalmente seco
Escalas numéricas de corrosividad (AWWA C-105 y DVGW GW9). En el primer método, la clasificación basada en la resistividad del suelo es lo más común, de ahí la importancia de la medición de esta propiedad; esta característica es muy usada y generalmente es considerada como la variable que más peso tiene en ausencia de actividad microbial [6]. Sin embargo se sabe que el proceso de corrosión nunca se debe a una propiedad aislada, en general se asume que la resistividad, el pH y el potencia redox son los factores que más importancia tienen en la corrosión [6], es por esto que se han desarrollado escalas numéricas que asignan valores o pesos a ciertas propiedades del suelo con el fin de establecer establecer un índice de corrosividad corrosividad del mismo.
2 1 0
Tabla 6: Asignación de puntos según AWWA C-105
Suma Suma de pun puntos tos (s) (s) 10 ≤ s 8 ≤ s ≤ 10 5≤s≤8 2≤s≤5 0≤s≤2
Agre Agresi sivi vida dadd Muy corrosivo Corrosivo Moderado Poco corrosivo Muy poco corrosivo
Tabla 7: Categorías de corrosividad segun AWWA C-105
7.1. 7.1.
Micr Micro o y macr macrop opil ilas as
En terrenos altamente resistivos la corrosión se da a través de micropilas, generadas por heterogeneidades en la superficie del propio metal o del medio, su resistencia interna no dependen o dependen muy poco de la resistividad del medio. La corrosión por micropilas produce una corrosión de tipo uniforme a lo largo de toda la superficie y no suele ser severa, por esto se define como “corrosividad absoluta” del terreno.
Escala Escala numéri numérica ca AWW AWWA A C-105 C-105
Ver tabla 6. Escala Escala numér numérica ica DVGW VGW GW9 GW9
Ver figura 10 10..
7.
0 3.5 4 5
50-100 0-50 <0
Clasificación de severidad por un solo parámetro.
6.2. 6.2.
5 3 0 0 0 3
Potencial redox (mV) >100
Básicamente existen dos métodos para caracterizar la agresividad de un suelo:
6.1.
10 8 5 2 1 0
pH
Hongos que pueden atacar recubrimientos orgánicos.
6.
Asigna Asignació ciónn de pun puntos tos
Tipos Tipos de corr corros osió ión n en suelo sueloss
Cuando el terreno es altamente conductor se pueden genera generarr zonas zonas anódica anódicas-c s-catód atódica icass separa separadas das por una distancia distancia considerab considerable, le, se forman entonces entonces las macromacropilas, pila s, que se origin originan an princi principal palmen mente te por fenóme fenómenos nos de aireación diferencial y constituyen lo que se llama “corrosividad relativa” del terreno. Este tipo de pilas se
En el suelo se puede presentar desde corrosión uniforme en medios homogéneos, hasta corrosión localizada cuando existen heterogeneidades significativas del suelo o del propio metal. Generalmente los tipos de corrosión en suelos pueden pueden ser: 8
Fig. 10: Escala numérica segun la German Gas and Water Works Enginners’ Association Standar (DVGW GW9)
9
da por diferentes permeabilidades en el suelo provocando una zona catódica con alta concentración de oxígeno y otra anódica pobre en oxigeno, el ataque se da localizado en la parte anódica y suele ser agresivo. Por ejemplo, una tubería enterrada en un suelo heterogéneo donde un lado sea rico en arena y bien aireado, mientras que en otra parte es arcilloso, compacto y con presencia de humedad, bajo estas condiciones la zona rica en arcilla es el ánodo y sobre ella se localizaría el ataque. Fig. 12: Esquema del proceso de corrosión por par galvánico
si estas corrientes encuentran alguna estructura metálica enterrada, se incorporan dentro de ésta debido a la alta conductividad del metal, y salen de nuevo por otra región de la misma. Esto produce un fenómeno similar al mecanismo electroquímico de corrosión, la entrada de la corriente constituiría la región catódica y la salida la anódica, si la relación de áreas favorece la zona catódica se puede originar un ataque severo en el ánodo. Si la tubería está protegida por algún recubrimiento, un fallo o discontinuidad en este daría lugar a una corrosión altamente localizada. En el caso de fugas de corriente alterna se pensaría que este efecto es nulo, sin embargo Fig. 11: Esquema del proceso de corrosión por macropilas se ha encontrado que el efecto corrosivo puede llegar a ser del 40-50 % respecto a si se tratara tratara de una corriente corriente continua. Además de la aireación diferencial, también puede generarse celdas de temperatura por exposición del metal a suelos con diferente temperatura, aquellas áreas con ma- 7.4. 7.4. Corros Corrosión ión microb microbiol iológi ógica ca yor temperatura se convierten en ánodos y las bajas en cátodos. El caso más severo se produce a condiciones anaerobias, para este caso en particular las bacterias sulfatorreductoras, especialmente del genero desulfovibro , son 7.2. 7.2. Corros Corrosión ión galv galvánica ánica responsables de la corrosión. Estas generan ácido sulfhíMetales Metales diferente diferentes, s, enterrad enterrados os y unidos físicament físicamente, e, drico y sulfuro a partir de sulfatos, sustancias bastante suelen formar una celda galvánica. En esta el voltaje de corrosivas, que en contacto con hierro causan su deteriola celda puede ser determinado por la diferencia de po- ro. Estas bacterias también pueden causar corrosión en tencial entre los dos metales, aunque depende de otros plomo, cobre y otros metales. metales. factores como la temperatura, condiciones superficiales del electrodo, y concentración de iones en el suelo. Así 7.5. Corros Corrosión ión por picadu picaduras ras por ejemplo, si a una tubería de acero o fundición le co- 7.5. locamos un accesorio de aleación de cobre, como latón La corrosión por picaduras es un fenómeno muy común o bronce, la diferencia de materiales hará que se forme en estructuras enterradas. Acompañada generalmente de una pila de corrosión, en donde, para este este caso, el corrosión uniforme, la aparición de este tipo de corrosión acero o fundición sufrirá la oxidación. En la figura 12 se puede deberse a: representa el fenómeno de corrosión por medio de celdas galvánicas entre metales. Fenómenos locales de aireación diferencial. 7.3. 7.3.
Corros Corr osió ión n por corr corrie ient ntes es vagabu agabunndas
En ocasiones se pueden producir fugas de corriente directa a través del suelo, que puede tener varios orígenes (rieles de un ferrocarril, instalaciones de soldadura, etc),
Fallos locales en revestimientos revestimientos como poros o grietas. Zonas muy reducidas de salida de corrientes vagabundas. Regiones de resquicio.
10
Efecto de aniones agresivos como el cloruro en cercanías al mar.
8.3. 8.3.
Aisl Aislar ar el el meta metall del del medi medio o
Es práctica habitual el proteger las estructuras con algún tipo de revestimiento, con el fin de aislarlas del Este tipo de corrosión en realidad es una forma que suelo corrosivo. En ocasiones es suficiente una simple puede ser resultado de varios de los mecanismos anterio- pintura bituminosa o asfáltica, mientras que en otros res. Debido a su frecuencia se ha estudiado por medio de casos se recurre a cintas protectoras o incluso a vainas de correlaciones que generalmente son a base de potencias: material plástico como el polietileno. En algunos casos, la estructuras se llevan por una zanja que se rellena con hormigón, quedando la tubería tub ería embebida totalmente. P = Kt n
Donde P es la penetración de la picadura, t el tiempo, Las Las pin pintu tura rass cons consti titu tuyyen uno uno de los los métod métodos os de K y n constantes que dependen del terreno. Las veloci- prevenció prevenciónn más común común en la protección protección anticorrosiv anticorrosivaa dades de corrosión se pueden calcular con la derivada de de estructuras enterradas, la preparación de superficie la ecuación anterior: recomendada en estos casos es hasta metal blanco, obtenida usando abrasivos a presión: SSPC – SP 5 ó NACE N 1 y un perfil de anclaje entre 2.0 y 3.0 mills. Los dP 1 V = = Knt tiempos de vida útil estimados (antes del primer mandt tenimiento de pintado) suelen alcanzar entre 8 a 10 años. Se puede observar que la velocidad disminuye más rápidamente con el tiempo a medida que n es más pequeño. Sin embargo junto a este sistema de protección y cuando las estructuras se encuentran expuestas a medios de Otra correlación propuesta por Scott involucra la re- comprobada agresividad corrosiva, se diseña en paralelación entre la profundidad de la picadura más profunda lo un sistema de protección catódica. Esta combinación P , el área expuesta A y la profundidad media de las pi- protege al acero contra la corrosión en todos los suelos caduras por unidad de área b, de igual forma a es una con eficacia y economía, mientras se mantenga adecuaconstante que depende del terreno: damente la protección catódica. ◦
n−
P = bA
a
8.4. 8.4.
Protec Protecció ción n catódic catódica a
El procedi procedimien miento to moderno moderno para para mini minimiz mizar ar las pérdida di das s de corr co rros osió ión n de estr es truc uctu tura ras s ente en terr rrad adas as es la 8. Medida Medidass prev preventiv entivas as protección catódica en conjunto con algún recubrimiento Son varios los métodos utilizados para reducir o evitar protector. En esta situación la influencia de los suelos suele ser de alguna manera diferente si fuera el caso de el daño por corrosión de los metales enterrados: metal desprotegido. Un suelo con alto contenido de sales o baja resistividad es deseable para la localización del ánodo. 8.1. 8.1. Modifi Modificar car o cam cambiar biar med medio io El medio que rodea la estructura puede cambiarse por otro menos corrosivo, o bien mezclarlo con algún producto químico para neutralizar su corrosividad, por ejemplo con cal. Otra medida a aplicar sería drenar la zanja en donde se halla la tubería, esto con el objetivo de reducir la humedad. 8.2. 8.2.
Cam Cambiar biar el me meta tall
La protección catódica confiere protección a cualquier área en donde el revestimiento haya quedado incompleto o deteriorado y en la que el metal queda expuesto directamente tamente al medio. El sobrepotenc sobrepotencial ial al cual es llevada llevada la estructura de acero, tomando como electrodo de referencia el electrodo de cobre–sulfato, es de –850 mV y –950 mV en el caso de sospechar la presencia de bacterias.
Referencias
En ocasiones es conveniente cambiar a otro material más resistente a la corrosión, siempre y cuando un estu- [1] L.L. Shreir and R.A Jarman. Corrosio Corrosion n (3rd (3rd Edidio previo demuestre que es más económico a largo plazo. tion). 1994. Cuando se hacen necesarios los cambios por tramos de tubería, esté debe quedar aislado eléctricamente del resto [2] N.P. Cheremisinoff and P.N. Cheremisinoff. Fiberde la estructura para evitar la corrosión galvánica. glass Reinforc Reinforced ed Plastics . 1995. 11
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