Diseño de Equipos e Instalaciones- Luis Bilurbina Alter & Jose Ignacio Iribarren Laco

Bilurbina Alter, Luis Iribarren Laco, Jose Ignacio

Diseño de equipos e instalaciones

Primera edición: febrero de 2002

© ©

Los autores, 2002 Edicions UPC, 2002 Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona Tel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885 Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es e-mail: [email protected]

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CPET (Centre de Publicacions del Campus Nord) La Cup. Gran Capità s/n, 08034 Barcelona

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Índice

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Índice 1. Introducción ........................................................................................................................................... 7 1.1. Criterios de selección de materiales para las plantas químicas................................................. 7 1.2. Identificación de materiales en planta....................................................................................... 9 2. Aceros inoxidables ............................................................................................................................... 15 2.1. Fundamentos de la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables ................................. 15 2.2. Tipos de corrosión de los aceros inoxidables y formas de combatirlos .................................. 19 2.3. Resistencias de los distintos aceros inoxidables frente a los diferentes medios agresivos...... 25 3. Otros metales: Aluminio. Níquel. Titanio. Refractarios ...................................................................... 33 3.1. Aluminio y sus aleaciones ...................................................................................................... 33 3.2. Níquel y sus aleaciones........................................................................................................... 36 3.3. Titanio y sus aleaciones .......................................................................................................... 39 3.4. Metales refractarios ................................................................................................................ 42 4. Materiales plásticos .............................................................................................................................. 49 4.1. Diseño de materiales composites para ambientes corrosivos.................................................. 49 4.2. Aplicaciones a tanques con agitación ..................................................................................... 52 4.3. Selección de plásticos para bombas y tuberías ....................................................................... 52 4.4. Selección del recubrimiento.................................................................................................... 54 4.5. Aceros utilizados para ser recubiertos .................................................................................... 55 4.6. Breves recomendaciones para el diseño de este tipo de instalaciones .................................... 56 5. Otros materiales: Refractarios .............................................................................................................. 59 5.1. Refractarios no metálicos........................................................................................................ 59 5.2. Cermets................................................................................................................................... 60 5.3. Diseño de sistemas refractarios............................................................................................... 62 6. Diseño de Aparatos .............................................................................................................................. 63 6.1. Aparatos a presión ................................................................................................................. 63 6.2. Uniones: Soldaduras. Adhesivos. Juntas y bridas .................................................................. 71 7. Inspección de materiales: Ensayos no destructivos .............................................................................. 97 7.1. Ensayos no destructivos.......................................................................................................... 97 Preguntas de Síntesis ............................................................................................................................... 101 Bibliografía .............................................................................................................................................. 115 Problemas ................................................................................................................................................ 117 Prácticas .................................................................................................................................................. 131 Anexo ....................................................................................................................................................... 151

Introducción

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1. Introducción 1.1. Criterios de selección de materiales para las plantas químicas La corrosión es la causa principal de la destrucción de los equipos de la industria química. La mayoría de destrucciones pueden prevenirse escogiendo adecuadamente los materiales dentro de la gama muy amplia que dispone el ingeniero. Entre ellos están no solamente los metales, sino también los plásticos (termoestables y termoplásticos), cauchos, materiales cerámicos y pinturas.

En las plantas que operan en continuo, por ejemplo las refinerías de petróleo e instalaciones petroquímicas, las pérdidas de producción debidas a deterioros por corrosión son tan costosas que justifican el uso de los materiales más caros, por ejemplo el tántalo en intercambiadores de calor de unidades de recuperación de ácido. En instalaciones más sencillas, puede ser más económico seleccionar materiales de menor costo y programar limpiezas frecuentes de los equipos para prevenir la corrosión.

Son esenciales para un buen diseño: - tamaño de la planta - condiciones de trabajo - tipo de corrosión - adecuada información de los materiales que se pueden escoger - sus características frente a la corrosión -

cuestiones económicas

© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


8

Para asegurar la solución más económica en problemas de corrosión es necesario estudiar el tipo de corrosión que tiene lugar y conocer las condiciones en que opera el equipo, no solamente las normales, sino los posibles casos circunstanciales, por ejemplo paradas o puesta en marcha del equipo. No suele ser interesante económicamente diseñar una planta que esté libre totalmente de corrosión. Velocidades de 0,1 mm/año e incluso hasta 5-6 mm/año suelen ser tolerables, dependiendo del coste de los materiales alternativos y del grado de contaminación que puede aceptarse. En las plantas de fabricación de productos farmacéuticos, donde la contaminación es inaceptable, es necesario realizar recubrimientos, por ejemplo a base de resinas epoxi, y en caso de temperaturas muy elevadas hay que acudir a los de teflón, a pesar de su elevado coste y difícil aplicación. Los códigos para recipientes a presión preveen las condiciones de corrosión al indicar los espesores de las paredes. Según el tipo de corrosión. generalizada, picaduras, bajo tensiones, con fatiga, intergranular,etc., se proponen diferentes soluciones.

A menudo la corrosión puede prevenirse mejor cuidando pequeños detalles en el diseño que seleccionando los materiales más resistentes. El ácido sulfúrico concentrado en frío puede transportarse en tuberías de acero al carbono, siempre que la velocidad de circulación sea inferior a 1m/seg. Debido a ello,en este caso es mejor utilizar tuberías de acero al carbono de diámetros grandes que tuberías de acero inoxidable de diámetros pequeños. Si los serpentines de calefacción de tanques que contienen sosa cáustica se colocan fuera del tanque, pueden ser de acero al carbono, pero si se colocan en el interior deben ser de aleaciones de níquel, ya que el acero al carbono está sujeto a la fragilidad cáustica. La corrosión por picadura de aceros inoxidables en intercambiadores de calor de salmueras puede prevenirse eliminando los restos de salmuera cuando no se utiliza el equipo. La corrosión en las unidades de refinerías de ácidos politiónicos puede prevenirse neutralizando las condensaciones que se producen cuando las unidades están paradas.


Introducción

9

Después de seleccionar los materiales hay que asegurarse que han sido fabricados con las especificaciones correctas. Las tuberías soldadas son menos costosas que las sin costura, pero en condiciones corrosivas hay que especificar el tratamiento térmico a que debe someterse el material después de la soldadura. La norma ASTM A312, que cubre tuberías sin costura de acero inoxidable austenítico de la serie 300, indica que es indispensable un tratamiento a 1400º después de la fabricación. Es indispensable adjuntar un Pliego de Condiciones detallado para cada caso.

1.2. Identificación de materiales en la planta Con objeto de revisar si los materiales de los diferentes equipos e instalaciones son los adecuados, es interesante disponer de una serie de tests de fácil aplicación in situ; entre ellos indicaremos los que utilizan: procedimientos químicos, chispa, mecánicos, termoeléctricos, espectroscopia óptica de emisión, espectroscopia de emisión de rayos X. Tests químicos in situ

Para cada caso se aplican indicadores adecuados. En la identificación de metales sólo pueden detectarse fácilmente por este procedimiento: aceros de bajo contenido en carbono, aceros con un contenido de cromo de un 2 a un 9%, aceros con un contenido de níquel del 3,5%, aceros con un contenido de Mo, níquel puro, magnesio y aluminio. Hay que tener cuidado de eliminar cualquier producto superficial procedente de una corrosión. Por ejemplo, en el caso de molibdeno: se extrae unos miligramos del material con ácido nítrico, se procede a una concentración y filtrado de impurezas si al añadir a esta disolución HCl y tiosulfato sódico aparece una coloración rosa, denota la presencia de pequeñas cantidades de molibdeno si la coloración es azul oscuro, indica que la cantidad de molibdeno es mayor de 9%.



10

Ensayos a la chispa

Se utilizan principalmente para identificar diferentes clases de aceros. Al aplicar sobre ellos una chispa aparecen diferentes figuras: Acero con un alto contenido en carbono Color : blanco Longitud promedio de las trazas: 139,7 cm Numerosas y pequeñas arborescencias Acero con un bajo contenido en carbono Color : blanco Longitud promedio de las trazas: 177,8 cm Aparecen más ramificaciones cuando el contenido de carbono aumenta

Níquel Color : naranja Longitud promedio de las trazas: 25,4 cm Fundición de hierro blanca Color: rojo amarillento Longitud promedio de las trazas: 50,8 cm Ramas más finas que las de la fundición gris

Fundición de hierro gris Color : rojo amarillento Longitud promedio de las trazas : 63,5 cm

Hierro maleable Color: amarillo pálido Longitud promedio de las trazas: 76,2 cm Menos ramificaciones que la fundición de hierro © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Fig.1

Introducción

11

Ensayos de fractura

Una pequeña muestra se extrae con un cincel y después se fracciona con un martillo. La forma de las superficies de las zonas fracturadas nos proporciona la información. En la tabla I se indican algunos ejemplos.

Tabla I Metal

Forma de las superficies de fractura

Fundición gris de hierro

Grano tosco, gris

Hierro maleable

Grano fino, negro

Hierro forjado

Fibroso, gris brillante

Acero de bajo contenido de carbono

Grano fino, gris brillante

Acero para herramientas

Grano muy fino (sedoso), gris brillante

Ensayos con lima

Es fácil identificar un recubrimiento de cromo por su brillo, pero si hay alguna duda se puede tratar de cortar el recubrimiento con la lima; es tan duro que la lima apenas producirá una marca; si se tratara de un recubrimiento de níquel, se cortaría con la lima.

Caracterización termoeléctrica

Este sistema se funda en la medición del voltaje que se produce cuando se calienta una zona donde se juntan dos metales diferentes. El voltaje observado depende del par de metales; mediante tablas es posible identificarlos. En la tabla II se indican el de algunas aleaciones.



12

Tabla II Aleación

Rango

Monel

-10

Hastelloy D

-8 a -8,5

Níquel

-6 a -6,5

Fundición de hierro

-3 a -3,3

31/2% Níquel

-2,1 a -2,3

Acero inox 18-8

-1,5 a –2,5

Acero inox 25-20

-1,5 a –2,4

Stellita

-1,7 a –2

Hierro maleable

-1,5 a –1,7

Alloy 20

-1,5 a –1.6

Incoloy

-1,1 a –1,5

Hastelloy F

-0,5 a –0,7

Latón

-0,2

Aluminio

-0,1

Cobre

0

Hastelloy C

1,5 a 1,9

Acero al carbono

2,2 a 2,5

Titanio

3,5 a 4,5

Inconel

3,5 a 6

Hastelloy B

8 a 10

Ensayos de conductividad eléctrica

Se induce sobre el metal conductor una corriente eléctrica producida por un campo magnético alternativo. La conductividad de las diferentes aleaciones varía, ya que bajo el punto de vista eléctrico, una aleación se comporta como un metal puro con un contenido grande de impurezas. De todas formas, en estos tests hay una serie de variables a considerar; la conductividad puede venir influenciada por: un tratamiento térmico, tamaño del grano, orientación de los granos, factores geométricos, etc.


Introducción

13

Espectroscopia de emisión

Bajo determinadas condiciones de excitación, la mayoría de metales y sus aleaciones emiten ondas características en la zona del espectro visible. El método de excitación usual consiste en producir una descarga eléctrica entre dos trozos de una muestra o entre la muestra y un contraelectrodo que no contiene los elementos a identificar. El contraelectrodo puede ser un trozo de grafito, que no introduce interferencias. Actualmente se utilizan rayos laser como fuente de excitación; pueden focalizarse sobre un área de 5 micras de diámetro. Las diferentes radiaciones producidas por la muestra excitada se separan por medio de prismas.

Espectroscopia de emisión de rayos X

Se puede utilizar para la determinación cuantitativa de los elementos que constituyen la muestra. La muestra se utiliza como cátodo y se analizan los rayos X producidos. También pueden utilizarse los rayos X para excitar metales de una muestra e identificarlos por el espectro de difracción que emiten. Este procedimiento se conoce como fluorescencia o emisión secundaria de rayos X.

50 40 30 20 10 0

10kV 15kV 20kV

2

1,2

0,85

0,7

25kV 0,5

Intensidades

Espectro RayosX Mo

Longitud de onda

Fig 2


Aceros inoxidables

15

2. Aceros inoxidables 2.1. Fundamentos de la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables

La base de la resistencia a la corrosión ambiental de estos materiales reside en la adición de cromo. A partir de la adición de aproximadamente un 12% de cromo, se forma una capa uniforme, continua, adherente y muy delgada de óxido de cromo (Cr2O3), que pasiva la superficie del acero.

Ahora bien, la adición de un 12% de cromo proporciona únicamente una resistencia a la corrosión de medios poco agresivos, ambiente húmedo, agua dulce,

Para incrementar

esta resistencia se ha incrementado la cantidad de cromo y se han adicionado otros elementos, con lo que al mismo tiempo se han mejorado las propiedades mecánicas del material. Estudiaremos en primer lugar cómo influyen los diferentes factores propios del material: composición, estructura y estado de suministro.

a. - Composición química

En la tabla III se ha reunido la práctica totalidad de los elementos que entran en la composición de los diferentes aceros inoxidables.



16

Tabla III Elementos básicos

Fe, Cr, C

Elementos importantes (>0,5%)

Ni, Mn, Si, Mo, Cu, Ti, Nb, Al, W, V,Co

Elementos menores (< 0,5%)

N, B, Ce, S, Se, Te

Elementos nocivos

C, S,P, Si, Co, O, H, N, Metales de bajo punto de fusión (Sn,Zn,Pb)

Los elementos nocivos, en cantidades apreciables, pueden disminuir la resistencia a la corrosión o la resistencia mecánica.

b. –Estructura

Las estructuras básicas son tres: Martensita, Ferrita y Austenita, aunque también pueden presentarse estructuras combinadas de aquellas, siendo las más corrientes : Ferrita + Martensita y Ferrita + Austenita. En la tabla IV se indican las diferentes estructuras Tabla IV Estructura

Composición básica (%)

Otros elementos

Martensítica

a) C <0,15

Cr

12-14

Si,Al,Mo,Cu

b) C 0,2-0,4

Cr

12-15

Si,Al,Mo,Cu

c) C 0,6-1,4

Cr

12-16

Si,Al,Mo,Cu

d) C 0,1-0,2

Cr

16-18 Ni 2-4 Mo,Cu

a) C <0,12

Cr

15-18

b) C< 0,35

Cr 25-30

Ferrítica

Austenítica

Dúplex (F + A)

Mo,Ti,Ni,V,S Mo,Ti

a) C < 0,25

Cr

17-20 Ni 8-12

b) C < 0,08

Cr

17-20 Ni 8-14 Mo,Ti,Nb,B,W

c) C < 0,03

Cr

17-28 Ni10-30 Mo,Si,Cu,W

a) C < 0,08

Cr

20-26 Ni 4-8

Mo,N,Cu

b) C < 0,03

Cr

18-27 Ni 4-8

Mo,N,Si,Cu


S,Se,Te,Mo

Aceros inoxidables

17

Los aceros inoxidables con estructura martensítica son magnéticos y pueden endurecerse por medio de temple. Al aumentar el contenido de carbono,se obtiene una mayor dureza pero se deteriora la resistencia a la corrosión. Los aceros ferríticos no pueden templarse, también son magnéticos. Su resistencia mecánica es inferior a la de los martensíticos, pero por su menor contenido en carbono tienen más resistencia a la corrosión. Los aceros austeníticos no son magnéticos y no pueden templarse. En cuanto a la resistencia a la corrosión, c>b>a y en general superior a la de los anteriores. Los dúplex presentan propiedades muy adecuadas para resolver problemas de corrosión y de construcción; son magnéticos pero no templan.

c.- Estado de suministro

En la tabla V se han incluido los principales estados de suministro.

Tabla V 1. Materiales deformados

En caliente En frío

2.Materiales tratados térmicamente

Recocidos o solubilizados Envejecidos Templados Templados y revenidos Endurecidos por precipitación

3.Materiales fundidos 4.Materiales soldados 5.Materiales sinterizados

Desde el punto de vista de la corrosión, el mejor estado de suministro, para una misma composición y estructura, viene siempre aportado por los materiales deformados, en caliente o en frío, y con un tratamiento posterior de recocido o de solubilización. Los



18

estados templado o templado+revenido disminuyen siempre la resistencia a la corrosión al provocar precipitaciones de carburos de cromo, lo que disminuye el contenido de cromo en las zonas vecinas a dichas precipitaciones.

En la tabla VI se indican los tipos de aceros inoxidables de mayor aplicación.

Tabla VI Estructura

Tipo AISI

Composición nominal (%) C

Cr

Ni

Martensita

410

0,15

11,5-13,5

Martensita

414

0,15

11,5-13,5

Martensita

416

0,15

12-14

Martensita

420

0,15

12-14

Martensita

420 F

0,15

12-14

Martensita

431

0,20

15-17

Martensita

440

0,6

16-18

Ferrita

405

0,08

11,5-14

Ferrita

409

0,08

11-12

Ferrita

430

0,10

16-18

Ferrita

430 F

0,12

16-18

Ferrita

434

0,12

16-18

Austenita

301

0,15

16-18

6-8

Austenita

302

0,15

17-19

8-10

Austenita

302 HQ

0,08

17-19

Austenita

303

0,15

Austenita

304

Austenita

Mo

Otros

1-2,5 S 0,15

S 0,15 1-2,5

Al 0,2 Ti > 0,75

S

0,15

9-11

Cu

3-4

17-19

8-10

S

0,15

0,08

18-20

8-10,5

305

0,08

17-19

10,5-13

Austenita

316

0,08

16-18

10-14

2-3

Austenita

316 F

0,08

17-19

12-14

2-2,5

S

0,15

Austenita

384

0,08

15-17

17-19

1-1,25


Aceros inoxidables

19

2.2. Tipos de corrosión de los aceros inoxidables y formas de combatirlos Los tipos de corrosión que trataremos son : -

Generalizada

-

Por picaduras

-

Intergranular

-

Bajo tensiones

a.- Corrosión generalizada El ataque se produce porque el medio es capaz de disolver la capa pasiva que protege al metal. En la tabla VII se incluye la influencia de los distintos elementos de aleación, estructuras, inclusiones y precipitados.

Tabla VII Medio ácido

Elementos C

de

aleación

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Mo

Ti

Nb

Cu

N

Reductor o/-

--

o

--

--

++

+

++

+

+

++

-

Neutro

o

o

-

-

++

+

o/-

+

+

o

o

Oxidante o/-

o

-

--

--

+

+

-

o/-

o/-

-

-

Muy

-

++

--

--

-

+

--

-

-

--

-

o

-

oxidante

Medio ácido

Inclusiones Precipitados

Estructura Martensit.

Ferrítica

Austenit.

F+ A

Carburos

Fases Intermed.

Reductor

--

+

++

++

-

-/+

o

Neutro

o

++

++

++

-

O

o

Oxidante

-

+

++

+

-

-

--

- -

-

+

-

--

--

--

Muy oxidante

++ Muy favorable

+ Favorable

o Nula

- Desfavorable

-- Muy desfavorable



20

Como puede observarse, el contenido en Cr, Mo y Cu, es muy favorable en los medios ácidos reductores y neutros, mientras que en los medios ácidos oxidantes se consigue el aumento de resistencia a la corrosión incrementando los contenidos de Cr y Ni, y en los medios muy oxidantes únicamente la adición de Si por encima del 2%, tiene un efecto positivo. En cuanto a las estructuras: la fase martensítica es prácticamente muy desfavorable en todos los medios ácidos, la austenítica es la más adecuada en todos los medios, mientras que la ferrítica o dúplex son apropiadas en medios ácidos reductores o neutros. En medios fuertemente oxidantes la única fase con buen comportamiento es la austenítica. Hay que resaltar la influencia desfavorable en medios ácidos de las inclusiones metálicas y todos los tipos de precipitados.

b.- Corrosión por picaduras

La corrosión por picaduras de los aceros inoxidables aparece casi siempre en medios muy poco agresivos desde el punto de vista de la corrosión generalizada, de modo que, muy a menudo, la superficie del acero permanece inalterada y brillante en su mayor parte, localizándose el ataque únicamente en los puntos de las picaduras. Los agentes causantes de esta corrosión son : F-, Cl-, Br-, sulfuros y bisulfuros. En la tabla VIII se indican los factores que influyen en este tipo de corrosión.

Tabla VIII Factores propios del material Elementos de aleación C

Si

Mn

+

-

P

S

--

--

Cr ++

Ni

Mo

Ti

Nb

N

+

++

+

+

++

Estructura, inclusiones, precipitados Estructura

Inclusio Precipitados nes

Medio

Marten. Ferrít.

Austen.

F+A

Carburos

Fases intermedias

alcalino pH < 6

--

o/+

o/+

o/+

--

-- / o

- -

pH 6-8

--

+

+

+

--

-- / o

- -


Aceros inoxidables

pH > 8

o

21

++

++

++

-

-

-

Estado de la superficie Decapado

+

Mecanizado

- -

Chorreado

-

Pulido

++

Factores propios del medio Concentración PH

Cl -, F -, Br Ácido

Contenido en oxigeno

-

Temperatura

- -

Agitación

++

- -

--

Neutro

-

Otras sales

o

Básico

+

Influencia del Cr y Mo en la corrosión por picadura 40 30 Valores 20 en % 10 0

Cr Mo 304 316 317 329

Corrosión

Tipo de acero

Fig.3

c.-Corrosión intergranular

La corrosión intergranular provoca el desprendimiento de los granos y va progresando hacia el interior del metal. Este tipo de corrosión puede tener diferentes orígenes: - Precipitación de carburos de Cr, Ti, Nb - Precipitación de fases intermetálicas - Medios ácidos fuertemente oxidantes

La precipitación de carburos de cromo (Cr 23 C5 ) se debe a que el contenido de carbono está por encima de la solubilidad en el acero inoxidable y a que éste se ha mantenido en una zona de temperaturas en las que puede producirse tal precipitación © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


22

A consecuencia de tal precipitación, se produce un empobrecimiento en cromo en las zonas próximas a las juntas de grano; puede pasar del 18% al 8%, inferior al 12 % límite de inoxidabilidad. La zona de temperaturas de sensibilización está situada entre 500fl y 800fl, aunque es función del tiempo y del contenido en otros elementos (Ni, Mo). La sensibilización térmica puede producirse a consecuencia de una operación de soldadura, un conformado en caliente, un destensionado térmico…. Se suele presentar en todos los medios ácidos. Para evitarla en los medios ácidos reductores es necesario utilizar aceros inoxidables con un bajo contenido en carbono (< 0,03 %), o estabilizarlos con Ti o Nb (con Ti en cantidades de 4/5 veces el contenido de carbono, y con Nb en cantidades de 8/10 veces el contenido en carbono). Estos metales se combinan mejor con el carbono que el Cr y se evita la disminución de Cr. En los medios ácidos oxidantes, la única solución es rebajar el contenido de carbono, ya que los carburos de titanio y niobio son sensibles a los medios oxidantes, sobre todo en caliente. En medio ácido oxidante, los aceros inoxidables muy aleados en Cr y otros elemento (Mo >1%, Si > 1%) tienden a precipitar fases intermedias FeCr o FeCrMo, en las juntas de grano, cuando se mantienen en la zona de temperaturas entre 650 y 900fl, a consecuencia de una soldadura, conformado en caliente, etc. El efecto es el de empobrecimiento del contenido de Cr, que en medios reductores no es importante, pero sí en medios oxidantes y calientes. Los medios extremadamente oxidantes ( nítrico >85%) y calientes (> 50-60fl) son muy agresivos, aun sobre aceros de contenidos en carbono inferiores al 0,01%. La única solución es añadir Si en una proporción superior al 2%; este silicio protege la capa pasiva. Influencia del C en la corrosión intergranular

304L

C% 304

1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

302

Cantidad es relativas

Tipo de acero

Fig.4 © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Corrosión

Aceros inoxidables

23

En la tabla IX se resumen estos efectos:

Tabla IX Medio

Elementos de aleación

ácido

C

Reductor

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Mo

Ti

Nb

Cu

N

--

+

o

--

--

++

-

+

++

++

+

-

Oxidante

--

o/-

o/-

--

- -

+

+

--

-/+

-/+

-

+

Muy

-

-

++

--

- -

-

+

- -

-

-

--

-

oxidante Medio

Estructura

Inclus

ácido

Precipitados

iones Mart Ferr Aust.

F+A

Carburos

Fases intermedias

Reductor

-

-

+

++

o

-- /++

o

Oxidante

--

+

++

--

-

--

--

Muy

--

--

+

--

--

--

- -

oxidante

d.- Corrosión bajo tensiones

Los medios más peligrosos y frecuentes, entre los que provocan corrosión bajo tensiones en los aceros austeníticos son:

- Soluciones acuosas contaminadas con iones haluro, especialmente cloruros -

Soluciones fuertemente alcalinas

-

Medios contaminados con ácidos politiónicos

-

Soluciones conteniendo iones cloruro y sulfuro

El agrietamiento suele ser transgranular. El nivel crítico de tensiones es bastante inferior al límite elástico del acero a la temperatura involucrada



24

En la tabla X se indica la influencia de los distintos contaminantes según la composición del acero Tabla X

Medio

Elementos de aleación C

Si

Cr

Ni

Mo

Ti

Nb

N

Cloruros

o/-

+/o

+

++

+

o/-

o/-

-

pH > 7

o/-

o

+

++

+

o

o

-

Politiónicos

- -

o

+

+

+

+

+

-

En la tabla XI se indica la influencia de otros factores. Tabla XI Factores

Cloruros

Soluciones alcalinas

Ácidos politiónicos

Estructura Martensítica

- -

o/ -

- -

Ferrítica

++

+/-

+/-

--/+

-/+

++

++

- /+

+

Tracción/Flexión

- -

--

--

Compresión

++

++

++

Decapado

+

+

+

Mecanizado

--

--

- -

Pulido mecánico

- -

--

- -

Pulido electrolítico

+/-

+/-

+/-

Chorreado

++

++

++

Solubilización

++

++

++

Eliminacion tensiones

++

++

++

Endurecimiento

--

--

- -

Austenítica F+A Tensiones

Estado de la superficie

Tratamientos térmicos


Aceros inoxidables

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2.3. Resistencia de los distintos aceros inoxidables frente a los diferentes medios agresivos

a.- Corrosión atmosférica

El concepto de acero inoxidable parece indicar que estos materiales resisten la corrosión en cualquier medio agresivo. En la práctica no es así, pues incluso en el aire ciertos tipos de inoxidables pueden corroerse, picarse e, incluso, agrietarse.

Los aceros inoxidables del tipo AISI 410 y similares tienen buena resistencia a la corrosión en atmósferas rurales. En los ambientes urbanos contaminados pueden empezar a deteriorarse. En medios industriales fuertemente contaminados y en atmósferas marinas son netamente insuficientes, pudiendo llegar a agrietarse bajo tensiones o a romperse por fatiga.

Los aceros ferríticos corrientes con un 17% de cromo presentan una resistencia a la corrosión atmosférica muy superior, pero pueden picarse en atmósferas fuertemente contaminadas o en ambientes marinos.

Los aceros ferríticos especiales de los tipos Cr18/Mo2 y Cr26Ni4/Mo4 presentan un comportamiento excelente frente a casi todos los ambientes. El Cr 18/Mo2 es vulnerable en ambientes sulfurosos.

Todos los aceros austeníticos y dúplex resisten perfectamente frente a la corrosión atmosférica, con la única excepción de los aceros sin Mo, del tipo Cr18/Ni 8,en las atmósferas fuertemente contaminadas o en los ambientes marinos. En estas atmósferas más agresivas son suficientes los aceros austeníticos Cr 17 /Ni 12 / Mo. Aunque con la contaminación sulfurosa o clorhídrica en medio ácido es necesario aumentar el contenido de Cr y Mo.



26

b.- Corrosión por aguas

b.1.- Agua dulce - Corrosión por picaduras Tiene por causa la presencia de iones haluro (principalmente cloruros) y/o sulfuro, pH neutro o ácido, acentuándose con la temperatura. Para evitarla hay que incrementar los contenidos de Cr, Mo y/o N. Son aconsejables los aceros AISI 316 L (austeníticos C 0,03/ Cr 16-18/ Ni 10-14/Mo 2-3), (austeníticos Cr 20/ Ni15/Mo/Cu), (dúplex Cr22/Ni 15/Mo/N).

- Corrosión bajo tensiones Tiene por causa la presencia de iones haluro (principalmente cloruros), sulfuros, ácidos politiónicos, pH neutro o ácido, temperaturas superiores a 55-60º . Para aguas poco contaminadas se pueden utilizar aceros AISI 430; para aguas con mayor agresividad y mayor temperatura, los aceros austeníticos Cr20/Ni25/Mo/Cu y Cr27/Ni31/Mo/Cu.

b.2.- Agua de mar y aguas muy salobres La corrosión más importante es por picaduras, de manera que no se trata de la corrosión bajo tensiones, porque el material se perfora mucho antes de que se agriete.

Los aceros menos aleados (tipo AISI 304) se perforan rápidamente aun a temperatura ambiental. Los aceros aleados con Mo(tipo AISI 316), pueden utilizarse a temperaturas inferiores a 25-30º, el agua debe circular con buena velocidad ( > 1-2 m/s); hay que vigilar la formación de depósitos e incrustaciones.

Los aceros con contenidos altos de Cr, Mo y/o N pueden resolver el problema, incluso con temperaturas de 80-100º ( dúplex Cr25/Ni 7/Mo 4/ N, austeníticos Cr/27/Ni/ 31/Mo 3,5/Cu, Cr20/Ni18/Mo6,1/N )

Un buen pulido o un decapado fino del material mejora los resultados.


Aceros inoxidables

27

Cuanta mayor es la velocidad de circulación del fluido, tanto más favorable es para todos los aceros inoxidables, incluso para los más aleados. Influencia composición 25 20 Cr

15

Mo 10

Ni mm pic.

5 0 Acero 1 Acero 2 Acero 3

Tipo de acero

Fig.5 c.- Medios Ácidos c.1.- Ácido sulfúrico Tipo de corrosión generalizada, intergranular. El comportamiento es muy pobre para la mayoría de aceros inoxidables, ya que la capa pasiva no resiste los medios reductores. El Ni dismuye la corrosión, pero el Cr la aumenta. Deben descartarse todos los aceros martensíticos, así como los ferríticos, los aceros austeníticos pueden utilizarse, incrementando su contenido en Cr y Mo y adicionándoles Cu, el acero Cr27/Ni31/Mo/Cu permite trabajar hasta temperaturas de 50-60º con concentraciones de ácido inferiores al 70%. Ahora bien, al considerar la agresividad de las soluciones sulfúricas, debe tenerse en cuenta el efecto inhibidor que tienen algunos elementos o compuestos: oxígeno, oxidantes, ácido nítrico, cobre, sulfatos, compuestos orgánicos, etc. En cambio, los compuestos reductores aceleran la corrosión (iones sulfurosos).

Pérdida de peso mg/dm2

Influencia Cromo 60 40 20 0 5

10

20

% Cr © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

30


28

pérdida peso gr/dm2

Influencia Ni 2,5 2 1,5 1 0,5 0 5

10

20

30

% Ni

Fig 6

c.2.- Ácido fosfórico Tipo de corrosión generalizada, intergranular. Como en el caso del ácido sulfúrico, los elementos de aleación más positivos son el Cr, Mo y Cu, siendo en este caso mucho más favorable el Cr que el Cu. La presencia de iones cloruro, fluoruro y ácido sulfúrico aceleran la corrosión, mientras que la presencia de sílice y sales de aluminio la inhiben. El material con mayor campo de utilización es el acero Cr27/Ni31/Mo3,5/Cu. Para problemas de corrosión-erosión, debido a los arrastres de partículas sólidas, se suelen utilizar dúplex (F+A) del tipo Cr22/Ni5/Mo/N o Cr25/Ni7/Mo/N, ya que tienen mejor resistencia mecánica.

c.3.- Ácido nítrico Tipo de corrosión: generalizada, intergranular El acero ferrítico AISI 430 (17% Cr) puede utilizarse en soluciones moderadamente concentradas (40-50%)

y a temperaturas menores de 70-80º. A mayores

concentraciones y temperaturas se necesitan aceros austeníticos 18/8 con contenidos bajos de carbono (< 0.02%) ( 304L), o mejor, con aceros tipo Cr25/Ni20. Con bajos contenidos de C, Si, S, P. Deben evitarse cualquier tipo de precipitaciones. En ácido nítrico muy concentrado (> 85%) y a temperaturas superiores a los 40-50º, o en soluciones nítricas con agentes fuertemente oxidantes (cromatos), deben utilizarse aceros especiales con Si (Cr18/Ni14/Si4). © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Aceros inoxidables

29

Velocidad corrosión mg/dm2/dia

Corrosión ácido nítrico ebullición C<0,03Si0,4-Cr18Ni10

150 100 50 0 50 65 Concentración ácido nítrico %

C<0,03Si
Fig.7

c.4.- Ácido clorhídrico Corrosión generalizada o por picaduras. Ninguno de los aceros indicados presenta buen comportamiento en este medio, pero si se aumenta el contenido de Cr y Mo de un acero austenítico se consigue un mejor comportamiento (Cr27/Ni31/Mo/Cu).

Temperaturas ºC

Temp de pic.en NaCl 1N 100 80

17Cr-12Ni2,5Mo

60

20Cr-25Ni4,5Mo

40 20

20C-18Ni6,1Mo

0 Tipos de acero

Fig.8

c.5.-Ácidos orgánicos Tipo de corrosión: generalizada, intergranular.



30

En general el comportamiento es mejor que en los ácidos inorgánicos, pero ácidos como el fórmico y el acético pueden presentar problemas. Hay que utilizar aceros con bajo contenido en carbono (304L,316L) o estabilizar con Ti o Nb (AISI 321,347).

150 18Cr-8Ni

100 50 100

80

60

20

0 10

Temperaturas

Curvas isocorrosión 0,1mm/año en ácido fórmico

Concentración ácido fórmico %

17Cr-12Ni2,5Mo 20Cr-25Ni4,5Mo-1,5Cu

Fig. 9 d.- Medios alcalinos

La agresividad es mucho menor que en los medios ácidos, las soluciones más agresivas son las de NaOH o KOH. Aceros austeníticos tipo AISI 304 pueden evitar la corrosión generalizada, aunque estos aceros pueden agrietarse bajo tensiones en concentraciones mayores de 50% y temperaturas de 100º. La calidad Cr27/Ni31/Mo3,5/Cu presenta buenos resultados en aquellas condiciones extremas.

e.- Soluciones salinas

Las soluciones salinas más agresivas para los aceros inoxidables son: hipoclorito, clorito, cloruros y sulfuros. Dentro de los cloruros presentan más agresividad las soluciones ácidas. Se pueden utilizar AISI 317L, Cr20/Ni25/Mo/Cu. Las soluciones de sulfatos son poco agresivas en medios neutro o alcalino. Pueden utilizarse AISI 304L, Cr22/Ni4/N. Las soluciones de otras sales: nitratos, fosfatos, carbonatos y cromatos, no acostumbran a provocar problemas de corrosión en estos materiales. En la tabla XII, indicamos los aceros más utilizados en la industria química. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Aceros inoxidables

31

Tabla XII Estructura

Aplicacion

Tipo AISI

F+M

Medios poco

Composición nominal % C máx

Cr

Ni

410

0,15

12,5

430

0,12

16-18

304

0,08

18-20

8-12,5

Mo

Otros

agresivos Ferrita

Cor. Tensiones

Austenita

Medios moderados

Austenita

Corr.intergr.

304L

0,03

18-20

8-12

Austenita

C.interg y

321

0,08

17-19

9-12

Ti 5x C

347

0,08

17-19

9-13

Nb 10 x C

316

0,08

16-18

10-14

2-3

316L

0,03

16-18

10-14

2-3

317L

0,03

18-20

11-15

3-4

316 Ti

0,08

16-18

10-14

2-3

Ti 5x C

318

0,08

17-19

13-15

2-3

Nb 10 x C

329

0,10

23-28

2,5-5

1-2

tensiones Austenita

Acid.red. y polit.

Austenita

C.gener. y picaduras

Austenita

C.interg. y picaduras

Austenita

C.gen. y picaduras

Austenita

C.interg. y tensiones

Austenita

C.interg. y tensiones

F+A

C.general, no interg.

En la tabla XIII indicamos algunos aceros inoxidables para casos especiales de corrosión en la industria química.



32

Tabla XIII Estructura

F+A

Aplicación

C.ten,pic,int

Composición

Tipo

nominal

%

C máx

Cr

Ni

23/4/N

0,030

23

4

Mo

Otros N 0,10

ergranular F+A

Mejora ant.

18/5/Mo/N

0,030

18

4,7

2,7

N 0,17

F+A

Ant+C

22/5/Mo/N

0,030

22

5,5

3

N 0,14

25/7/Mo/N

0,030

25

7

4

N 0,25

Medios

20/25/Mo/C

0,020

20

25

4,5

Cu 1,5

ác.red.

u

Medios

20/18/Mo/N

0,030

20

18

6,1

N 0,20

Medios

27/31/Mo/C

0,020

27

31

3,5

Cu 1

ácidos

u

2,2

N 0,12

fatiga F+A

Ant+agua mar

A

A

muy severos A

A

Acid.oxid.

25/20

0,020

25

20

A

Acid.oxid.

25/22Mo/N

0,020

25

22

A

Mejor

304LN

0,030

18

8,5

316LN

0,030

18

9

18/14/Si

0,020

18

14

18/2

0,020

18

2,2

26/1

0,010

26

1

26/4/4

0,020

25

N 0,18

res.mecán. que 304L A

Mejor

2,7

N 0,18

res.mecán. que 316L A

C.interg.

Si 4

medios ox. F

C.general

Ti

no interg. F

C.general,

F

frágil y poco solda.


4

4

Ti

Otros metales

33

3. Otros metales 3.1. Aluminio y sus aleaciones El aluminio, de acuerdo con su potencial electroquímico (-1,66V), tiene gran tendencia a oxidarse. Cuando el metal se expone al aire, se forma inmediatamente una capa de óxido (Al2O3) muy estable, que actúa como pasivante y evita que prosiga la corrosión. En medio acuoso el aluminio se pasiva entre pH de 4 a 8,5; a pH menores de 4 o superiores a 8,5 se corroe en forma de AlO2- y Al+3. De todas formas cuando el aluminio está en su estado pasivo puede presentar corrosión por picadura, debido al ataque localizado por los aniones del medio.

Velocidad corrosión

Corrosión Al en función pH 60 40 V.corros

20 0 pH 3

pH 4

pH 8.5

pH 9

pH

Fig.10

Las aleaciones de aluminio presentan mejores propiedades para aplicaciones concretas, pero en cuanto a la corrosión son en general más vulnerables que el aluminio puro. La corrosión de las aleaciones depende de su composición, microestructura y tratamiento térmico. En los tratamientos térmicos se forman fases adicionales que generalmente son © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


34

compuestos intermetálicos. En la tabla XIV se adjuntan algunos valores de los potenciales electroquímicos de disoluciones sólidas y de fases intermetálicas halladas frecuentemente en las aleaciones de aluminio.

Tabla XIV Aleación

Potencial en V.

Aluminios forjados no tratados térmicamente 1060

-0,84

3004

-0,84

5050

-0,84

7072

-0,96

Aluminios forjados tratados térmicamente 2014 (T4)

-0,69

6009 (T4)

-0,80

6351 (T5)

-0,83

7005 (T6)

-0,94

7075 (T6)

-0,83

Aluminios de moldeo 295.0 (T4)

-0,70

296.0 (T4)

-0,71

355.0 (T6)

-0,79

356.0 (T6)

-0,82

520.0 (T4)

-0,89

Otros metales Mg

-1,73

Zn

-1,10

Cu

-0,20

Cr

Entre –0,40 y + 0,18

Acero inoxidable (430)

-0,09

Sn

-0,49

Fases segregadas en las aleaciones de aluminio Si

-0,26

Al3Ni

-0,52

Al3Fe

-0,56

Al2Cu

-0,73


Otros metales

35

(T4) Tratamiento de disolución y envejecimiento natural (T5) Enfriamiento desde temperaturas elevadas y envejecimiento artificial (T6) Tratamiento térmico de disolución y envejecimiento artificial

En presencia de oxígeno disuelto, los principales iones que causan la corrosión del aluminio y sus aleaciones son los haluros; en ausencia de oxígeno no es normal que se produzca la corrosión. En la tabla XV se adjuntan los potenciales de picadura de aluminio a temperatura de 25º en presencia de haluros.

Tabla XV Aleación

Electrolito Al 99,99%

Potencial

0,1 M NaCl

-0,64

0,5 M NaCl

-0,74

1,0 M NaCl

-0,72

0,1 M NaBr

-0,53

0,1 M NaClO4

-0,24

1,0 M KBr

-0,59

1,0 M KI

-0,44

Al 99,4% (0,1% Cu ; 0,48% Fe)

0,1 M NaCl

-0,65

Al (1,3% Mn)

0,1 M NaCl

-0,69

Al (2,4% Mn)(0,16%Fe)

0,1 M NaCl

-0,68

Aleaciones Al-Cu Las aleaciones con Cu son menos resistentes a la corrosión que muchas otras, debido a que el Cu, después de cierto tiempo de corrosión, se va disolviendo y redepositando sobre el material, constituyendo pequeñas partículas catódicas que actúan como centros de corrosión.

Aleaciones Al-Si En ellas se encuentra silicio elemental como fase adicional, la cual es catódica con respecto a la disolución sólida. Sin embargo, la densidad de corriente de corrosión es muy pequeña y, por tanto, el efecto del silicio sobre la corrosión es despreciable. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


36

Aleaciones Al-Mg Presentan gran resistencia a la corrosión, incluso frente al agua de mar; se aplican en las industria química de procesos y en la industria alimentaria. El Mg debe estar en disolución sólida o en pequeños precipitados dispersados homogéneamente; si se halla concentrado en los límites del grano, el Mg reacciona con el hidrógeno, forma hidruros y se rompe por fragilidad por hidrógeno. Deben realizarse tratamientos térmicos adecuados para que su dispersión sea homogénea.

Aleaciones de Al-Mg-Si Tienen la posibilidad de endurecimiento por tratamiento térmico y una moderada resistencia a la corrosión. Se aplican en construcción, maquinaria, etc.

Aleaciones de Al-Zn-Mg Son las aleaciones más anódicas (por su contenido en Zn), susceptibles de corrosión bajo tensiones; agregando Cu se pude mejorar algo la resistencia a la corrosión bajo tensiones y permite obtener la máxima dureza

Aleaciones de Al-Mn Tienen una gran resistencia a la corrosión. El Mn se halla en disolución sólida y formando precipitados de una amplia gama de tamaños.

3.2. Níquel y sus aleaciones El Ni, cuando está exento de carbono, puede llegar a resistir atmósferas oxidantes de hasta 1100º. Se suele utilizar aleado. En la tabla XVI se indican una serie de aleaciones comerciales.


Otros metales

37

Tabla XVI Ni Monnel

Mo

Cr

W

Fe

Si

Mn

C

1,4

0,2

0,9

0,12

16

7,2

0,2

0,2

0,04

4-7

<1

<1

<0,05

<2,5

<1

<1

<0,08

<2,5

13,5-17 <1

1-2

<0,05

2,5

66

Co

Otros Cu 31,5

400 Inconel

76

600 Hastelloy

61

26-30

<1

54

15-17

14,5-16,5

3-4,5 4-7

48

5,5-7,5

21-23

<1

B Hastelloy C Hastelloy F

Nb<0,05 Ta 1,75-2,5

Aleaciones Ni-Cu

Por su resistencia a la corrosión, destacan los denominados Monnel, con un contenido de Ni del 68% y de Cu del 30%. En general las aleaciones de Ni-Cu resisten bien la corrosión de cualquier tipo y poseen además buenas propiedades mecánicas, pudiéndose trabajar con facilidad tanto en caliente como en frío. A continuación indicamos otras aleaciones de este grupo con un contenido menor de Ni:

-

Con 2-3% Ni, utilizadas para tubos de calderas

-

Con 15-20% de Ni, para tubos de condensadores

-

Con 25-30% de Ni, para fabricación de monedas

-

Con 40-45% de Ni, para termoelementos

El Cu mejora la resistencia del níquel a los ácidos oxidantes:

-

Con 30-40% de Cu se utiliza para las industrias del ácido sulfúrico y fluorhídrico.

-

Si se incorpora 2-3% a las aleaciones Ni-Cr-Mo-Fe, mejora la resistencia a la corrosión de los ácidos clorhídrico, sulfúrico y fosfórico. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


38

Aleaciones Ni-Cr

El Cr mejora la resistencia a la corrosión a elevadas temperaturas (1150º) y frente a los ácidos: nítrico, crómico o fosfórico. El intervalo normal es de un 15-30% de Cr. La aleación 16% Cr, 7% Fe, 76% Ni no resiste tanto al oxidación como la Ni-20% Cr, pero tiene excelentes propiedades físicas, se suelda con facilidad y se puede emplear expuesta al aire hasta 1100º. Las unidades de calentamiento de algunas estufas se fabrican con tubo de esta aleación; también se utiliza en la construcción de hornos para cementar o nitrurar. El Ni no tiene suficiente resistencia para atmósferas que contienen azufre por encima de 315º, en tales casos es necesario utilizar aleaciones férreas con un contenido alto de Cr y bajo de Ni.

Aleaciones Ni-Mo

El Mo aumenta la resistencia a la corrosión de ácidos no oxidantes, incluso a elevadas temperaturas, reduciendo el riesgo de la corrosión por picaduras y grietas. Con un 28% de Mo resisten los ácidos clorhídrico, fosfórico, fluorhídrico y sulfúrico en concentraciones de hasta el 60%. Las aleaciones Ni con Mo y Cr, dan buen resultado en medios oxidantes y reductores, resisten los iones cloruro (atmósferas marinas), pero para el HCl son mejores las de CrNi

Pérdida espesor dm/año

Res.Corr. Aleac. Ni-28%Mo 80 60

Temp amb

40

75º

20

Ebullic.

0 10

20

30

40

% HCl


Otros metales

39

Aleaciones Ni-Si

El Si mejora la resistencia a la corrosión a elevadas temperaturas al formar una película superficial de SiO2, pero debe controlarse su presencia en aleaciones que contienen Fe, Co, Mo y W, por su capacidad de estabilizar los carburos y facilitar la aparición de fases intermetálicas. Resisten el ácido sulfúrico y ácidos orgánicos, pero no resiten el ácido nítrico y clorhídrico a temperaturas elevadas.

Aleaciones Ni-Co

El Co es el principal elemento para aquellos componentes y piezas que deben resistir la corrosión acuosa, mejorando las condiciones de servicio a elevadas temperaturas.

Aleaciones Ni-Nb/Ta

El niobio y el tántalo previenen la precipitación de carburos en los límites de grano, reducen la tendencia de las aleaciones de níquel a agrietarse en las uniones soldadas.

3.3. Titanio y sus aleaciones El titanio es un metal que, como el aluminio y el acero inoxidable, se pasiva y resiste la corrosión ambiental. La resistencia a la corrosión del titanio es notable en medios que contengan iones cloruros o hipocloritos. Resiste mejor al HNO3 a temperaturas elevadas que los aceros inoxidables. El titanio no resiste HCl o H2SO4, salvo cuando están inhibidos por iones férricos o cúpricos, o cuando está aleado con Pt o Pd. No resiste álcalis concentrados y calientes.



40

Espesor mm

Crecimiento óxido 150 700º

100

600º

50

500º 400º

0 0

20

60

120

Tiempo minutos Fig.12

El material se usa en difusores para la industria del papel, electrodos, condensadores para la liquefacción de gas natural. Intercambiadores de calor. Almacenamiento de residuos nucleares. Resiste hasta temperaturas de 400-500º.

Es económico por su gran resistencia a la corrosión a elevadas temperaturas. Aunque su precio es elevado, su densidad es aproximadamente la mitad que el acero o aleaciones de níquel. El titanio grado 12 ASTM tiene ventajas comercialmente en medios reductores, frente al titanio puro. Tiene una gran resistencia a la erosión y cavitación, por lo tanto es ideal para bombas e intercambiadores de calor donde el fluido circula a gran velocidad. No sufre la corrosión localizada (picadura). Es efectivo ante la corrosión frente a compuestos orgánicos. Sin embargo, no es recomendable frente a ácido HF o cloro seco (menos de 0.5% de agua). Comercialmente, el titanio puro y la mayoría de sus aleaciones pueden soldarse con buenos resultados, aunque es conveniente soldarlo en medios inertes. A continuación se indica en la tabla XVII la resistencia a la corrosión de diferentes aleaciones.


Otros metales

41

Tabla XVII Composición

Tipo de

Resistencia a la Usos

ASTM

aleación

tracción ksi

grados

Ti (gran pureza)

alfa

25

Alta res.corrosión

1

Ti (más oxígeno)

alfa

40

Alta res.corrosión

2

Ti (más oxigeno)

alfa

55

Alta res.corrosión

3

Ti (más oxigeno y Fe)

alfa

70

Alta res.corrosión

4

Ti-6Al-4V

Alfa-beta

120

Ejes,hojas,discos, etc

5

Ti-O.15Pd

alfa

40

Res.cor. medios

7

reductores Ti-0.3Mo-0.8Ni

alfa

50

Res.cor. medios

12

reductores Ti-5Al-2.5Sn

alfa

115

Usos que requieren soldadura y alta res.tracción elev.temp.

Aleación Ti-Pd

Titanio no aleado 20

20

Ataque H 2 Inmun.

ph

10

linea 2

5

Ataque H2

15

linea 1

Corrosión

0 90

90

149 204 260 316

149 204 260 600 Temperatura ºC

Temperaturas ºC

Aleación Ti-Mo-Ni 20

Ataque H 2

15 10 5

Linea 1

Inmunidad

Linea 2

Corrosión

0 90

149

204

260

Linea 2

Inmunidad

5

Corrosión

Linea 1

10

0

pH

pH

15

316

Temperaturas ºC

Fig.13



42

3.4. Metales refractarios Se designan como refractarios una serie de metales ( tungsteno, molibdeno, tántalo, circonio, niobio,…) de elevado punto de fusión que resisten en condiciones reductoras elevadas temperaturas.

El tungsteno, en condiciones oxidantes, forma una capa superficial de WO3; este fenómeno corrosivo sigue una ley parabólica desde 700º hasta los 1000º. Es un componente de las máquinas de alto vacío, así como de elementos de calentamiento de reactores y naves espaciales.

El molibdeno resiste la corrosión porque se pasiva formando MoO3, pero empieza a sublimar a partir de los 500º. El recubrimiento con silicio protege al molibdeno contra la oxidación hasta temperaturas de 1600º. Es particularmente resistente a los ácidos minerales no oxidantes. Es resistente al CO2, hidrógeno, amoníaco y nitrógeno hasta 1100º, y a atmósferas reductoras conteniendo sulfhídrico. El molibdeno tiene una excelente resistencia a la corrosión a vapores de yodo, bromo o cloro a elevadas temperaturas.

El tántalo se pasiva formando una capa de Ta2O5, que no es volátil por debajo de los 1370º. La industria química lo utiliza para la fabricación de contenedores, tuberías, alambiques, agitadores, paletas de turbinas de vapor, toberas, válvulas, cambiadores de calor, etc. A veces no es necesario que todo el aparato sea de tántalo, es suficiente que recubra el acero. Resiste los ácidos clorhídrico, sulfúrico, nítrico, crómico y fosfórico a elevadas temperaturas. No resiste los álcalis (NaOH 5% a 100º), ni el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno a elevadas temperaturas. El tántalo se suele usar conjuntamente con el tejido de vidrio en recubrimientos.

El circonio tiene una resistencia a la corrosión superior a la del titanio y semejante a la del tántalo. Resiste la acción de los ácidos clorhídrico y nítrico y la de las bases a todas las concentraciones y temperaturas. Pequeñas adiciones de Fe, Ni y estaño aumentan su


Otros metales

43

resistencia a la corrosión a elevadas temperaturas. La buena resistencia del Zr al agua caliente desaireada y vapor es de especial interés en las aplicaciones de energía nuclear. No resiste al oxígeno, nitrógeno e hidrógeno a elevadas temperaturas.

El circonio resiste la corrosión de todo tipo de aguas naturales, incluso cuando circulan a gran velocidad. Tiene un excelente comportamiento por encima de 400º frente al aire, vapor, CO2, SO2, nitrógeno y oxígeno e incluso es muy resistente a los ácidos y bases fuertes. Esta alta resistencia proviene de la formación de un óxido tenaz y estable que se forma en la superficie al ser expuesto al aire. A continuación exponemos la resistencia a la corrosión del circonio en algunos medios corrosivos.

a .- Ácido sulfúrico El circonio se considera uno de los materiales más económicos para recipientes que contengan sulfúrico en las conflictivas concentraciones de 40-60% en peso. En el proceso de fabricación del rayón viscosa se puede utilizar en los intercambiadores de calor y serpentines de calentamiento con vapor, de tanques conteniendo: ácido sulfúrico, sulfato de cinc, sulfato sódico, y pequeñas cantidades de sulfhídrico y disulfuro de carbono. También se utiliza en la fabricación de peróxido de hidrógeno, en contacto con sulfúrico caliente en concentraciones del 80%. En este caso se forma una capa protectora negra sobre la superficie.

temperaturas

Resistencia a la corrosión en sulfúrico 300

5 mpy 20 mpy

200 100

200 mpy

0 20

40

60

80

concentración sulfúrico % peso

Fig.14



44

b.- Ácido clorhídrico y otros ácidos inorgánicos El circonio es uno de los pocos metales que resiste la corrosión del ácido clorhídrico en todas las concentraciones. La velocidad de corrosión del circonio frente al ácido nítrico concentrado y a temperaturas por encima de los 250º es despreciable. Tiene una alta resistencia a la corrosión frente a soluciones de ácido fosfórico del 50% a temperaturas de ebullición.

Temperatura

Resistencia a la corrosión en clorhídrico 600 5 mpy 20 mpy 200 mpy

400 200 0 20

30

40

Concentración clorhídrico % peso

Fig.15

c.- Soluciones alcalinas

El circonio resiste el ataque de soluciones alcalinas, puede compararse con la resistencia del níquel frente a soluciones de hidróxido sódico y, en presencia de impurezas (cloro gas o amoníaco), supera al níquel. Una de las principales aplicaciones del circonio es en procesos donde se alterna el contacto con ácidos fuertes y álcalis fuertes.


Otros metales

45

d.- Soluciones salinas

La tabla XVIII muestra la excelente resistencia al ataque de la mayoría de soluciones salinas.

Tabla XVIII Ambiente

Concentración % en

Temperatura ºC

peso

Velocidad corrosión mpy

Al Cl3

5,10,25

35-100

< 0.2

NH4Cl

1,10,sat

35-100

< 0.2

Ba Cl2

5,20

35-100

< 0.07

CaCl2

5,10,25

35-100

< 0.03

CuCl2

5,10,20

35-100

> 50

FeCl3

5,10,20

35-100

> 50

MgCl2

5,20,42

35-ebullición

< 0.1

MnCl2

5,20

35-100

< 0.09

HgCl2

1,5,10,sat

35-100

< 0.07

NiCl2

5,20

35-100

< 0.1

KCl

sat

60

0.009

KF

0.5 molar

ebullición

< 0.2

NaCl

3,sat

35-ebullición

< 0.03

SnCl4

5,24

35-100

< 0.1

ZnCl2

6,20

35-ebullición

< 0.08

e.- Soluciones orgánicas

El circonio resiste la mayoría de ambientes orgánicos. En la tabla XIX se adjuntan algunos ejemplos.



46

Tabla XIX Ambiente

Concentración % en

Temperatura ºC Velocidad de

peso

corrosión mpy

Ácido acético

5-99,5

35-ebullición

< 0.07

Anhídrido acético

99,5

ebullición

0.03

Hidrocloruro de anilina

5,20

35-100

< 0.01

Ácido cloroacético

100

ebullición

< 0.01

Ácido cítrico

10-50

35-100

< 0.2

Ácido dicloroacético

100

ebullición

< 20

Ácido fórmico

10-90

35-ebullición

< 0.2

Ácido láctico

10-85

35-ebullición

< 0.1

Ácido oxálico

0.5-25

35-100

< 0.5

Ácido tartárico

10-50

35-100

< 0.05

Ácido tánico

25

35-100

<0.1

Ácido tricloroacético

100

ebullición

> 50

Reactor de urea

58% urea,17%

193

< 0.1

amoníaco,15% CO2,10% H2O

f.- Consideraciones económicas

El circonio es considerado un material caro, pero puede competir con muchos, como puede observarse en la tabla XX. Tabla XX Aleación

Precioo relativo/ unidad peso

Precio relativo/ unidad volumen

Circonio

1

1

Titanio

0.7

0.5

Hastelloy B-2

1.1

1.4

Hastelloy C-276

1

1.2

Tántalo

20

50


Otros metales

47

Aleaciones de metales refractarios

El KBI-40 (60% de tantalo - 40% columbio), tiene una resistencia a la corrosión intermedia entre los dos metales; su costo es menor que el tántalo, ya que su densidad es un 25% inferior. Por ejemplo, sustituye al tántalo en soluciones a ebullición de ácido sulfúrico 10-30%. Otras aleaciones de tántalo se utilizan por su resistencia a la tracción, por ejemplo la adición de 10% de tungsteno (Ta-10W, Ta-7.5W) u otros metales refractarios (Ta-8W2Hf); esta última es particularmente interesante por su resistencia a la corrosión de los metales líquidos. Las aleaciones de tungsteno - molibdeno (W-30Mo) mejoran la mecanización. A continuación se indica en una tabla XXI el uso de los metales refractarios contra la corrosión frente a otras aleaciones más comunes. Tabla XXI Reactivo

Tantalo

Columb.

Circonio

Titanio

Hastelloy Hastelloy Monnel C-276

Acético 50% eb. Cloruro aluminio 5% Cloruro amónico 50% eb. Sulfato amónico sat.eb. Bromo seco Bromo húmedo Sosa cáustica Cloro

S

S

S

S

S

S

S

400

B-2

NiCr.Mo Ni-Mo

Ni-Cu

S

S

S

SV

S

S

S

SV

S

S

Acero inox. 316

S

SV

S

S

V

S

SV

S

S

S

X

S

X

S

S

S

X

X

X

X

X

S

S

S

S

S

S

V

X

S

S

S

X

S

S

X

S

S

X

seco 25º Cloro

X

húmedo 25º

©

L o s

a u t o r e s ,

2 0 0 2 ;

©

E d i c i o n s

U P C ,

2 0 0 2 .


48

Cloro

S

S

X

S

X

X

X

X

S

S

SV

X

X

SV

húmedo 100º Acido

S

clorosulfó nico 10% Baños de

S

cromado Cloruro

S

S

X

S

S

X

X

S

V

SV

S

X

férrico 5% Fluor

S

HCl 38º

S

V

S

X

S

Peróxido

S

V

S

S

S

S

S

S

S

S

V

S

S

S

S

X

X

S

S

SV

S

S

S

S

S

S

V

S

X

X

S

S

S

X

X

S

S

S

SV

S

hidrógeno 25º Nítrico 5% 25º Nítrico c.

V

Eb. KCN

S

NaCl sat

S

eb. NaOCl

X

V

5% 25º SO2

S

S

S

S

S

V

S

S

SV

V

S

X

S

X

X

S

X

X

húmedo 25º Sulfúrico 5% 25º Sulfúrico 50% eb

S resistente V ataque suave X no satisfactorio


Materiales plásticos

49

4. Materiales plásticos 4.1. Diseño de materiales composites para ambientes corrosivos Estos materiales consisten en polímeros termoestables, generalmente poliésteres, reforzados con fibra de vidrio u otras fibras.

Las resinas más utilizadas son: isoftálicas, poliésteres insaturados halogenados, bisfenol A fumarato, furano y ésteres vinílicos. En la tabla XXII se dan sus propiedades y en la XXIII sus aplicaciones en corrosión.

Tabla XXII Resistencia

Isoftálic Poliésteres

Bisfenol A

Orto Furano

Vinil

Aceros al Aceros

a la

as

fumaratos

ftáli

ésteres

carbono

corrosión

insaturados halogenados

cas

inoxid ables

Ácidos

B

A

A

C

A

B

C

B

Álcalis

B

C

A

C

A

A

B

B

Peróxidos

C

A

B

C

C

B

C

C

Hipoclorito

C

A

B

C

C

B

C

C

Disolvente

B

B

B

C

A

B

A

A

Ret.llama

C

A

C

C

B

C

A

A

Res.mecán.

A

A

A

B

A

A

A

A

Aisl.Térm.

A

A

A

A

A

A

C

C

A= Alta B= Moderada C= Baja



50

Tabla XXIII Equipos

Ambiente corrosivo

Tipo de resina

Refrigerantes

Calderas hasta 80º

C

Chimeneas

Gas de chimenea a 180º

C

Scrubbers

Gases entre 150º -180º

C

Gases inertes ácidos 50º-60º

C

Carbonatos a temp > 170º

C

Tanques de circulación y tuberías

Fluidos ácidos a temp > 80º

C

Ventiladores

Gases a 180º

C

Precipitadores electrostáticos

Vapores de H2S y SO2 a 138º-180º

C

Unidades de desulfuración

H2S,SO2 y monoetanol amina a 132º F

Conductos de fusión

Cu,Pb,Zn a 138º

C

Conductos de incineradores

Productos químicos a 300º

C

Condensadores de nieblas

Ácido sulfuroso a 180º

C

Tuberías de gas (flujo continuo)

Temperaturas de 150º

C,B

C= Poliésteres insaturados clorados B= bisfenol F= furánicas

La resistencia química de estas resinas viene muy influenciada por el procedimiento de curado. Teóricamente el curado debe completarse a temperatura ambiente, pero generalmente sólo se logra un 95% de entrecruzamientos y se necesita actuar a temperaturas elevadas. El grado de curado puede ser determinado por varios métodos, el más sencillo es la determinación de la dureza Barcol. Se acepta una dureza Barcol de 90 para poder estar seguros de que el curado ha sido completo.

Los equipos de la industria química deben ser construidos con una resina pura y un mat de una fibra resistente a los agentes químicos, que proporciona la resistencia mecánica. La resina es la que protege a la fibra de los ataques químicos por efecto barrera, se suele trabajar con espesores de 3 mm, obtenidos con varias capas tipo sandwich (resina, mat, resina, mat,...).Los espesores son importantes para la resistencia total, trabajando con los mismos materiales y ambientes agresivos.

La evaluación de la calidad se realiza viendo la variación de las propiedades mecánicas con el tiempo, aunque depende del tipo de aplicación y de cuestiones económicas. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


51

De todas formas es difícil correlacionar estas variaciones de propiedades mecánicas con la degradación del material. Debe mirarse la variación de varias propiedades mecánicas y decidirse por aquel material que mantiene el mayor número de características después de ser sometido a un ambiente determinado durante un cierto tiempo. También es muy interesante para muchas aplicaciones evaluar la resistencia a elevadas temperaturas, la tabla XXIV nos muestra algunos ejemplos.

Tabla XXIV Fibra

Con 65% fibra de

Isoftálicas

Vinil ester

Bisfenol A

Esteres insaturados

fumarato

clorados

135º

120º

150º

180º

95º

100º

132º

150º

vidrio Sin fibra de reforzamiento

En general hay que tener muy en cuenta las condiciones de trabajo: -

Tipo de productos químicos

-

Concentraciones máximas y mínimas

-

Rango de pH

-

Máximo y mínimo de temperaturas

-

Si se requiere resistencia a la abrasión o agitación

-

Requerimientos de aislamiento térmico

-

Retardancia al fuego

Para realizar las pruebas, se sumerge el estratificado en el ambiente agresivo en las condiciones de trabajo, uno, dos o tres meses y se ensaya su resistencia a la flexión, módulo elástico, dureza Barcol y examen visual al microscopio. El test se completa en tres meses, pero a veces es conveniente alargarlo a 6 o 12 meses. Se puede medir variaciones de espesor, peso, color; la pérdida de propiedades mecánicas suele ser aproximadamente una función logarítmica.



52

4.2. Aplicaciones a tanques con agitación Para diseñar tanques con agitadores hay que aplicar cinco criterios: -

Resistencia a la tensión y compresión

-

Alargamiento

-

Resistencia a la fatiga: se suele utilizar un factor de seguridad de 2

-

Esfuerzos de compresión locales: se suele utilizar un factor de seguridad de 5

-

Deformación

Para los plásticos la curva tensión/alargamiento no tiene una región elástica. Cuando disminuye el esfuerzo, el material no recobra la posición primitiva, hay una deformación permanente. La temperatura agrava este fenómeno, para un acero no se produce este efecto por debajo de los 260º.

4.3. Selección de plásticos para bombas y tuberías Cuando existen problemas de corrosión es muy recomendable utilizar para las bombas plásticos, teniendo en cuenta que muchos tienen mejores resistencias a la erosión que los metales. En las industrias en que no puede haber contaminación de los líquidos transportados se deben utilizar plásticos.

Aunque algunos ingenieros suelen despreciar la utilización de plásticos por sus inferiores propiedades mecánicas; aunque la curva de resistencia a la tracción no presenta la zona elástica y no tiene un comportamiento lineal, estos materiales suelen tener propiedades mecánicas suficientes para esta utilización.



53

Tracción 1000 psi

Alargamiento -Tracción 6 4 2 0 0

5

10

20

30

40

Alargamiento %

Fig.16

Sin embargo, en ciertas condiciones no es recomendable su utilización, por ejemplo a temperaturas por encima de los 100º, ya que sus propiedades mecánicas disminuyen sensiblemente. Los plásticos suelen utilizarse en las bombas centrifugas: el pistón, carcasas y manguitos son normalmente de plástico.

Los plásticos más utilizados para bombas son: (Observaremos que las temperaturas indicadas son inferiores a las que se encuentran en las tablas de resistencia química de estos materiales.)

-

Vinílicos a temperaturas inferiores a los 50º, aunque el PVC clorado resiste hasta 105º.

-

Polipropileno: muy utilizado por su baja densidad, resiste los ácidos, álcalis y disolventes, pero no resiste agentes fuertemente oxidantes,resisten hasta 105º.

-

Fluorplásticos:

tienen

una

excelente

resistencia

a

la

corrosión;

el

politetrafluoretileno es prácticamente inerte, aunque el fluorpolivinilideno tiene mejores propiedades mecánicas; resisten hasta 150º. El etilen clorotrifluoretileno tiene una gran resistencia al impacto, aunque inferior resistencia química que el politetrafluoretileno puro.

En el caso de tuberías, las más utilizadas son las de acero revestidas de plástico; el acero proporciona la resistencia mecánica y el plástico la resistencia a la corrosión. Se utiliza © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


54

en tuberías, válvulas y uniones que deben estar en contacto con líquidos o gases corrosivos (industria química, petrolera, pulpa de papel, minera.) Son también recomendables en industrias en que debe preservarse la contaminación de los líquidos transportados (farmacéutica, alimentaria, depuración de aguas).

4.4. Selección del recubrimiento - Resistencia química: Hay que tener en cuenta no solamente los componentes mayoritarios, sino incluso las trazas. Generalmente, los datos que se disponen no están referidos a mezclas, y para mayor seguridad, sino se tiene experiencia, hay que hacer ensayos previos. A continuación citamos las normas ASTM para los recubrimientos plásticos en este campo.

Tabla XXV Material plástico

Norma ASTM

Poli(cloruro de vinilideno)

F599

Propileno y polipropileno

F492

Poli(flururo de vinilideno)

F491

Perfluoruro(copolimero etileno-propileno)

F546

Politetrafluoretileno

F423

- Estado físico del fluido. Debe definirse si es gas o líquido

-Temperatura. Hay que tener en cuenta la temperatura de reacción (si es necesario), así como en los ciclos, las temperaturas máximas y mínimas.

- Velocidad de flujo. Para líquidos son recomendables de 1,3 a 1.8 m/s, mientras que para gases en diámetros inferiores a 7.6 cm de 10 a 10.7 m/s, y en diámetros mayores, de 25 m/s. Estas velocidades hay que reducirlas cuando en el líquido hay partículas abrasivas o humedad en los gases. Estas velocidades pueden utilizarse para los cálculos © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


55

de caída de presión y hay que realizar un balance económico teniendo en cuenta los dos factores.

- Transporte de lodos. En estos casos hay que tener en cuenta los diámetros de las partículas, que determinará los parámetros de erosión o abrasión. Generalmente hay que realizar ensayos previos.

- Limpieza con vapor. Hay que tener en cuenta el sistema de limpieza; si se utiliza vapor hay que tener en cuenta la temperatura que puede resistir el recubrimiento.

- Vacío. En general los recubrimientos mejoran la resistencia de la tubería al vacío, pero es necesario realizar ensayos. - Permeabilidad. Aunque las resinas indicadas resisten químicamente los agentes agresivos, algunas como el politetrafluoretileno, fluor etilen-propileno, y el polifluoracetato, son susceptibles de absorción y permeabilidad. Es interesante para prevenir este efecto que exista una capa de aireación entre el recubrimiento y el acero; suelen colocarse entre ambos unas canales en forma de espiral.

4.5. Aceros utilizados para ser recubiertos - Tuberías: ASTM A53 Tubería, acero, negro y templado, cincados, soldado y sin costuras. ASTM A156 Tuberías de acero al carbono sin costura para servicio a altas temperaturas ASTM A587 Tuberías de acero con bajo contenido en carbono para procesos químicos, soldadas eléctricamente

-

Fundición y forja. Las normas ASTM nos indican los materiales apropiados de acuerdo con la presión y temperatura que deben soportar; incluyen composición, métodos de tratamiento térmico, propiedades mecánicas y métodos de pruebas.



56

Tabla XXVI Aceros

Norma ASTM

Forjados, aceros al carbono para componentes de

A105

tuberías Uniones de tuberías de aceros al carbono forjados

A234

y aceros aleados para moderadas y elevadas temperaturas Aceros dúctiles Retenes de fundición para elevadas temperaturas

A395

Fundición de hierro Fundición de hierro gris para válvulas, bridas y

A126

uniones en tuberías

4.6. Breves recomendaciones para el diseño de este tipo de instalaciones En la instalación de tuberías recubiertas debe evitarse el vacío producido por efectos hidrostáticos o condensación de vapores. Si se teme que aparezca este fenómeno, hay que utilizar las técnicas oportunas de ventilación. En las uniones hay que escoger los tornillos y tuercas adecuados para cada caso, debe evitarse que produzcan daño al revestimiento. Hay que tener en cuenta las posibles dilataciones térmicas, utilizando las juntas de expansión adecuadas. No deben producirse soldaduras sobre la tubería recubierta, ya que el calentamiento puede provocar desperfectos en el recubrimiento. Las técnicas utilizadas para aislar las tuberías de acero también pueden utilizarse en las recubiertas. Pero hay que tener cuidado de asegurar que no se destruye los sistemas de ventilación. No utilizar materiales no especificados concretamente para cada aplicación. Utilizar los elementos complementarios juntas, válvulas, racords,…) adecuados, en cuanto a forma y material, para cada tipo de instalación. A continuación exponemos en la tabla algunos ejemplos.



57

Tabla XXVII Complemento

Material

Medidas ( pulgadas)

Juntas de expansión

TFE

½ -36

Manguitos

TFE

1-8

Válvulas (recubrimiento)

PP,FED,PFA

3-8

Tés

PP,FEP,PFA

2-6

Tensores

PP,PVDF

1-8

Soportes

TFE

1-4

Reductores

TFE

1x1/2 – 6x4

Drenajes de fondos

PP

2-6


Otros materiales

59

5. Otros materiales 5.1 Refractarios no metálicos Se consideran dentro de este grupo materiales con temperaturas de fusión superiores a los 1700º. Muchos compuestos cerámicos puros con altos puntos de fusión, como el óxido de aluminio o el óxido de magnesio, podrían tener aplicaciones como refractarios industriales, pero al ser caros y difíciles de conformar, la mayoría de refractarios industriales se hacen con mezclas de compuestos cerámicos. Las propiedades más importantes de los refractarios cerámicos son su resistencia a bajas y altas temperaturas y su densidad (2,1 a 3,3 g/cm3). Los refractarios densos con baja porosidad tienen mayor resistencia a la corrosión y erosión. Se dividen en dos grandes grupos: ácidos ( a base de SiO2 y Al2O3) y básicos ( a base de MgO, CaO y Cr2O3). En la tabla indicamos la composición de algunos ladrillos refractarios.

Tabla XXVIII Ácidos Ladrillo de sílice Ladrillo altas temp. Ladrillo alta resistencia Ladrillo de alúmina Básicos Magnesita Magnesita-cromo Dolomita Especiales Circonio Carburo de silicio

% Al2O3

% SiO2 95-99 53 51-54 0-50

42 37-41 45-99

0,5-5 2-7

6-13

32 6

2

% MgO

% Otros

91-98 50-82 38-50

0,6-0,4 CaO 18-24 Cr2O3 38-58 CaO


66 90

ZrO2 SiC


60

Aplicaciones: -

Ladrillos refractarios para altas temperaturas: revestimientos hornos de fundición de aluminio, hornos rotativos, cucharones de transferencia de metal caliente, altos hornos.

-

Ladrillos refractarios de alta resistencia: revestimientos para hornos de cal y de cemento, altos hornos e incineradores.

-

Ladrillos de alta alúmina: hornos de ebullición, regeneración de hornos dañados por ácidos, hornos de fosfatos, hornos de coque de petróleo.

-

Ladrillos de sílice: revestimiento de reactores químicos, hornos cerámicos, hornos de coque.

-

Ladrillos de magnesita: revestimiento de hornos de procesos básicos y óxidos en la fabricación de aceros.

-

Ladrillos de circonio: pavimentos para suelos, toberas de vertido continuo.

5.2 Cermets Son productos obtenidos por sinterización de mezclas de óxidos y metales. De hecho son combinaciones heterogéneas de metales o aleaciones con una o más fases cerámicas. No se trata de soluciones sólidas, ni de los procedimientos de endurecimiento de los aceros debido al carburo de hierro, sino que se trata de aprovechar en un sólo material las mejores propiedades del metal y del cerámico. Como materiales cerámicos se emplean: óxidos, aluminuros, carburos, nitruros y siliciuros. Se amplean óxidos de W, Mo, Ti y Al sobre aleaciones de Cr-Mo para aplicaciones que deben resistir altas temperaturas.La sinterización de 70% de óxido de aluminio y 30% de hierro produce un material con una resistencia a la tracción de 12 Kg/mm2 a 950º, o bien cerca de 5 Kg/mm2 a 1200º, resistiendo la oxidación hasta 1200º y a los gases de combustión hasta 1600º. Los carburos son más fáciles de unir a los metales, pero tienen peores características. Se emplean carburos de titanio sobre Ni, Co, Cr, Mo. Carburo de tungsteno sobre cobalto y © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Otros materiales

61

carburo de cromo sobre Ni y Co. Un producto con 80% de carburo de titanio y 20% de cobalto metálico posee elevada conductividad térmica, buena resistencia a la tracción y pequeña dilatación térmica. Los boruros se emplean protegiendo Cr, por ejemplo el boruro de molibdeno. Los aceros se pueden proteger con boruros de hierro y manganeso. El Ni, Co y Fe pueden protegerse con boruros de cromo. En general, no son tan resistentes como los carburos a bajas temperaturas, pero son más resistentes a altas temperaturas, sobre todo cuando son posibles las erosiones. También se aplican aluminuros como protectores del Mo. Tienen buena estabilidad y resistencia a la oxidación a altas temperaturas, pero son poco resistentes y soportan mal los cambios fuertes de temperaturas. El nitruro de titanio se emplea mezclado con carburo del mismo metal, en solución sólida, para proteger cromo o aleaciones Ni-Co. Existen diferentes formas de prepararlos: 1) Los óxidos, en atmósfera controlada ligeramente oxidante, a alta temperatura, se depositan sobre la superficie del metal, lográndose la adherencia, bien directamente a través de la película de óxido que puede haberse formado sobre la superficie metálica, o bien empleando otro agente que actúe sobre el metal, fijándose sobre él y uniéndose al producto cerámico. 2) Por pulverización del producto cerámico a alta temperatura sobre el metal. 3) El producto cerámico puede prepararse en solución o suspensión, e introducir las piezas metálicas, pasando luego el conjunto a un horno.

Se utilizan en toberas de salida de gases de motores, colectores de escape, frenos, herramientas de corte que trabajan a elevadas temperaturas. Una utilización interesante es en los frenos, donde los materiales deben sufrir fricciones a altas temperaturas. Los cermets, dan un buen resultado, como consecuencia de ser la capa cerámica la que soporta el desgaste, mientras que la fase metálica actúa como conductora del calor generado.



62

5.3 Diseño de sistemas refractarios El diseño de instalaciones refractarias debe tener en cuenta tres áreas: -

Térmica: el refractario debe resistir altas temperaturas.

-

Estructural: debe tener buena resistencia mecánica.

-

Química: debe resistir el ataque de los agentes químicos que estén presentes.

a.- Consideraciones químicas

Los refractarios son afectados por determinados ambientes al ser materiales permeables. A altas temperaturas, en atmósferas no oxidantes, la baja presión de oxigeno reduce el SiO2 a SiO gas, que al enfriarse forma depósitos sobre los intercambiadores de calor. En este caso, para evitar la reducción debe mantenerse la temperatura por debajo de 1300º. Otro ejemplo es la desintegración producida por la descomposición catalítica de CO o hidrocarburos. Por ejemplo, el óxido férrico, presente en pequeñas cantidades en muchos refractarios, se convierte en carburo de hierro, que cataliza la descomposición del CO en CO2 y C entre 400º-700º, y el C se deposita sobre el óxido de hierro y se llega a producir una serie de tensiones que desintegran el refractario; para evitarlo debe trabajarse a temperaturas inferiores a las indicadas o eliminar el óxido de hierro.

b.-Consideraciones estructurales

-

Resistencia a la abrasión Sobre todo en las zonas donde hay un flujo turbulento.

-

Impermeabilidad Sobre todo en el caso que estén en contacto con gases.


Diseño de aparatos

63

6. Diseño de aparatos 6.1. Recipientes a presión 6.1.1 Consideraciones generales. Códigos y normas

La información que suministramos le debe permitir al ingeniero químico realizar un diseño provisional de un recipiente a presión apropiado para determinar su peso aproximado y su costo. No existen códigos o especificaciones para definir un recipiente a presión. Un recipiente a presión es un depósito cerrado de longitud limitada, su dimensión menor es considerablemente mayor a la de las tuberías de conexión y está sujeto a presiones por encima de los 7,14 MPascals. La American Society of Mechanical Engineers publicó las normas ASME para la fabricación y diseño de los recipientes a presión. Estas normas están divididas en secciones:

-

Especificaciones de materiales

-

Recipientes de presión I y II

-

Condiciones de soldadura

-

Recipientes de presión de plástico reforzados con fibra de vidrio

La American Soc. for Testing Materials ASTM da también una serie de especificaciones ligadas con las anteriores. ASME añade una S delante de la A de las ASTM ( SA 202).En la tabla XXIX damos alguna de estas especificaciones para diferentes aceros aleados © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


64

Tabla XXIX A 202

Cr-Mn-Si aleaciones de aceros para chapas

A 203

Ni aleaciones de aceros para chapas

A 204

Mo aleaciones de aceros para chapas

A 225

Mn-V aleaciones de aceros para chapas

A 302

Mn-Mo y Mn-Mo-V aleaciones de aceros para chapas

A 353

Doble normalizadas y templadas para usos criogénicos

A 358

Cr-Mo chapas de aleaciones de acero para altas temperaturas

A 517

Chapas templadas para resistir altas tensiones

A 533

Mn-Mo y Mn-Mo-Ni chapas templadas

A 542

Cr-Mo chapas de aceros aleados templadas

A 543

Ni-Cr-Mo chapas de aceros aleados templadas

A 553

8% y 9% chapas de niquel templadas

A 645

Especiales tratamientos térmicos 5% Ni para usos criogénicos

A 658

Chapas 36% de Ni de baja dilatación térmica

A 734

Aleaciones de bajo contenido en C templadas y de alta resistencia mecánica para usos criogénicos

A 735

De bajo contenido en C Mn-Mo-Nb para bajas y moderadas temperaturas

A 736

Chapas endurecidas de bajo contenido en C NiCu-Cr-Mo-Nb

Hay que resaltar que las propiedades mecánicas están influenciadas por diferentes variables: -

Espesores o anchos de las chapas

-

Composición química

-

Temperatura

-

Corrosión

En general, mayores espesores proporcionan menos problemas. En Europa se toma como base para la resistencia a la tracción el 0,2% del límite elástico, aunque estos valores disminuyen al aumentar la temperatura. Se suele considerar que el espesor de la © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Diseño de aparatos

65

chapa debe ser proporcional a la presión interna, cada recipiente a presión debe evaluarse individualmente. Una fórmula orientativa para escoger el espesor en función de la presión interna es:

t= PR/(SE-0.6 P)

t espesor en cm, P presión en MPa, S esfuerzo en MPa, E coeficiente, Radio interno en cm Los factores a tener en cuenta para escoger una determinada aleación son: - Disponibilidad -

Resistencia a temperaturas

-

Resistencia a corrosión

-

Tenacidad

-

Soldabilidad

-

Tratamiento térmico

En la Tabla XXX se indican algunas propiedades mecánicas de diferentes aleaciones.

Tabla XXX Especificación

Grado

A 202

A B A B C A B C B 2,12 AII 3 2

A 204

A225

A302 A387 A517 A533 A542 A658 A734 A736

A 2

Resistencia a la tracción ksi (6.89 MPa) 75-95 85-110 65-85 70-90 75-95 70-90 75-95 105-135 80-100 55-81 115-135 100-125 115-135 65-80 77-97 85-105

Resistencia a la fluencia ksi

Elongación % en 50 mm

45 47 37 40 43 40 43 70 50 33 100 83 100 35 65 75

19 18 23 21 20 21 20 20 18 22 16 16 13 30 20 20



66

Es importante señalar que debe tenerse cuidado con los aceros ferríticos trabajando a temperaturas inferiores al ambiente. Los aceros de baja aleación están limitados a temperaturas por debajo de los -45º. Los aceros ASTM 517 no son dúctiles a temperaturas por debajo de los –60º. Por debajo de los –100º deben utilizarse aceros con un 3.5% de Ni, y a temperaturas inferiores aceros con un 9% de Ni o aceros austeníticos. Es importante mantener una cantidad baja de carbono para obtener una buena tenacidad sobre todo con esfuerzos de tensión altos. Deben diseñarse los aparatos para minimizar las concentraciones de esfuerzos, particularmente en las áreas críticas. Las condiciones ambientales pueden definir el tipo de material, para estos aparatos las más importantes son:

-

Corrosión

-

Altas temperaturas

-

Presencia de hidrógeno

Generalmente, deben utilizarse plantas piloto para confirmar el tipo de material. Es evidente que también juega un papel importante la economía. Las superaleaciones únicamente deben usarse en casos de severa corrosión o altas temperaturas. Es interesante que la temperatura del material base no exceda los 540º; ello se puede lograr utilizando dobles paredes de refrigeración o materiales refractarios. De esta forma se puede asegurar la vida del aparato para 20 años. El hidrógeno puede causar la fragilidad o a elevadas temperaturas puede rebajar el contenido de carbono. Por ello es interesante, antes de utilizar un recipiente, minimizar el contenido de hidrógeno realizando una deshidrogenación o una sencilla desgasificación. La martensita es más susceptible al ataque por hidrógeno que la perlita. El hidrógeno puede producirse por reacción o incluso por una protección catódica. Estos fenómenos suelen tener lugar sobre aceros que tienen resistencias a la tracción de unos 1030 MPa. A altas temperaturas (por encima de los 200º) es fácil que se produzca una descarburación por difusión de hidrógeno, seguida de una fisuración por concentración de tensiones. El Cr y el Mo ayudan a evitar este fenómeno; el Mo es cuatro veces más efectivo que el Cr; también pequeñas cantidades de vanadio, niobio y titanio ( 0.1%)


Diseño de aparatos

67

pueden producir los mismos efectos que el Mo. En la industria petroquímica suelen utilizarse aceros con un contenido de Mo del 0.5%. Es muy interesante utilizar materiales de elevada resistencia a la tracción y fácilmente soldables. Estos aparatos es mejor soldarlos que ribetearlos. Al soldar hay que tomar precauciones para que no se produzca un craqueo al enfriarse; esta dificultad puede minimizarse al escoger materiales con bajo contenido en carbono o mediante un precalentamiento. En general, los códigos para cada tipo específico de recipientes nos indicarán las precauciones a tener en cuenta en el momento de la fabricación. El diseño de un recipiente se hace normalmente por tanteo, generalmente se da por supuesto un espesor de las paredes y con él se calcula la presión que puede resistir. Existen gráficas para realizar estos cálculos. En todos los recipientes a presión deben existir válvulas que regulen la presión, de manera que no sobrepase nunca el 10% del valor calculado.

6.1.2 Soportes, bridas, placas tubulares Los códigos ASME mencionan procedimientos de diseño de bridas para juntas de forma circular y con el empaque situado dentro del círculo del perno. Al aplicar un esfuerzo se producen unos momentos de torsión que tratan de hacer girar la brida, de modo que la parte interior pase al exterior. Si la brida no tiene suficiente resistencia y rigidez para resistir estos momentos, su sección de corte transversal girará lo suficiente para abrir un hueco en el empaque y permitir que se produzca una fuga.

HD W

HD W

HG

HG



68

El código clasifica las bridas en dos tipos básicos: integrales y sueltas. Las bridas de tipo integral se construyen de manera que obtienen cierta resistencia del tubo y de la pared de la tobera o el recipiente al que se fijan. Las bridas de tipo suelto se fijan de tal manera que no se puede suponer con seguridad que obtengan resistencia de este modo. Deben resistir los momentos internamente.

Brida suelta

Brida integral

Fig.18

El diseño de bridas incluye el cálculo de dos tipos de carga, la carga mínima requerida de los pernos para el asiento de los empaques y la carga mínima requerida de los pernos para las condiciones de abertura. Cuando se monta inicialmente una junta, es necesario aplicar una fuerza suficiente sobre el empaque para que se conforme a la superficie de la brida. Estos valores de esfuerzo varían de cero para el caucho a 26000 lb/pulgada2 para el acero inoxidable. La carga mínima requerida de pernos para el asentamiento de empaques se determina mediante la aplicación de este esfuerzo a una fracción del área del empaque. El área completa del empaque no se utiliza para calcular la carga del asiento, debido a que la deflexión de la brida hace que tenga que soportar cargas mayores en el borde exterior del empaque. Cuando una junta tiene que soportar una presión interna, la brida debe apoyarse contra el empaque con una presión que es un múltiplo de la presión interna. Este múltiplo se conoce como factor de empaque. Los valores recomendados para este factor van desde 0.5 para el caucho hasta 6.5 para el acero inoxidable. El valor de esta presión (presión de sellado) se agrega a la presión interna y los pernos deben soportar esta carga y los momentos correspondientes. Los tipos de soldaduras utilizadas para la mayoría de juntas son los que se muestran en la figura. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Diseño de aparatos

69

Fig. 19

La eficiencia de una soldadura es la relación entre el esfuerzo permisible en la soldadura y el esfuerzo permisible para la placa adyacente. En la tabla XXXI se muestran algunos valores para las soldaduras indicadas en la figura.

Tabla XXXI

Figura

Tipo de junta

Grado de examen Radiografía

Por puntos

completa A,B

Juntas para

No examinada por puntos

1

0.85

0.7

0.9

0.8

0.65

ensamble con soldadura doble B

Juntas para ensamble de soldadura simple con banda de respaldo

C

0.6

Juntas para ensamble de soldadura simple sin banda de respaldo



70

6.1.3 Inspección de los recipientes a presión

Los recipientes a presión deben inspeccionarse periódicamente. Algunos recipientes pueden inspeccionarse cada 5 años, pero otros es necesario hacerlo anualmente. La medición de la corrosión es uno de los aspectos más importantes en la inspección. Una forma es medir el espesor por medio de ultrasonidos. Es preciso señalar y ubicar la corrosión indicando si es uniforme o localizada. Se deben examinar especialmente las grietas, fugas y toda clase de distorsiones. Casi siempre se deja el aislamiento en su lugar durante la inspección; sin embargo, en casos en que se haya apreciado una fuerte corrosión, será preciso retirar el aislamiento. Es interesante utilizar en la inspección solamente pruebas no destructivas Si la inspección da lugar a una reparación, el cuidado en volver a montar el recipiente es muy importante. Se deben colocar adecuadamente los empaques, sobre todo si están en ranuras. Los pernos deberán apretarse con una secuencia adecuada, debe emplearse la técnica de salto. Al principio se apretarán dos pernos separados 180º, luego otros dos separados 90º de cada uno de los anteriores, etc... Después del montaje es conveniente someter a los recipientes a una prueba hidrostática.

6.1.4 Seguridad en el diseño En la mayoría de los casos las normas de los códigos proporcionan una seguridad adecuada. No obstante, hay que tener en cuenta que dichas normas cubren los requisitos mínimos de construcción para el diseño, la fabricación, la inspección y la certificación de recipientes a presión. La responsabilidad final por la seguridad reposa en el usuario y el diseñador. El código no puede prever todas las condiciones anormales a las que puede verse sometido un recipiente a presión. Por ejemplo:

-

Temperaturas anormalmente bajas

-

Esfuerzos térmicos especiales

-

Esfuerzos de retén ocasionados por ciclos térmicos

-

Vibraciones de los recipientes ocasionadas por el viento u otras causas

-

Presiones muy elevadas © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Diseño de aparatos

71

-

Reacciones químicas desencadenadas

-

Recalentamientos locales repetidos

-

Explosiones

-

Exposición al fuego

-

Contenido de materiales extremadamente tóxicos

-

Tamaños muy grandes

6.2. Uniones 6.2.1. Generalidades En la selección del tipo de juntas más adecuado para cada trabajo hay que tener en cuenta numerosos factores: Si el esfuerzo es de tracción, compresión, flexión, fatiga o choque Considerar si la carga es estática, de impacto o variable Dirección de la carga con relación a la junta Espesor de las piezas a soldar Costo de la preparación de la junta

Los tipos de uniones más utilizados son:

a) Uniones a tope

-

Con bordes rectos, se emplea en espesores de hasta 8 mm. Esta junta resiste esfuerzos estáticos, pero no es recomendable para casos sometidos a fatiga o cargas de impacto, especialmente a bajas temperaturas.

-

Con bordes en V, se emplea para espesores superiores a 8 mm, pero no es recomendable para espesores de más de 20 mm. No es recomendable para esfuerzos de flexión que produzcan tracciones sobre el cordón.

-

Con bordes de X, es la que presenta mejor comportamiento ante cualquier tipo de cargas, muy recomendable para espesores entre 18-20 mm. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


72

-

Con bordes en U, se utiliza en trabajos de gran calidad. Espesores entre 13-20 mm. Muy costosa, pero no origina tensiones.

-

Con bordes en doble U, es la más recomendable para espesores mayores de 20mm, coste de preparación elevado.

b) Uniones en ángulo interior

-

Borde recto, para espesores pequeños, se utiliza siempre que aparezcan esfuerzos de cortadura longitudinal.

-

Con simple chaflán, puede soportar cargas superiores a la anterior, se limita a espesores inferiores a 12 mm.

-

Con doble chaflán, puede soportar tanto cortadura longitudinal como transversal, sólo es aplicable si puede soldarse por las dos caras.

-

Con simple J, especialmente recomendada para espesores superiores a 25 mm.

-

Con doble J, para espesores de 40 mm, cargas muy elevadas, sólo aplicable si puede soldarse por ambos lados.

c) Uniones a solape

-

Con un solo cordón, recomendable para espesores inferiores a 12 mm, carga a soportar ligera.

-

Con dos cordones, la resistencia es igual a la del metal base.

d) Uniones en ángulo exterior

-

Esquina cerrada, recomendada par espesores delgados y cargas pequeñas.

-

Esquina semiabierta, espesores mayores, soporta cargas en que la fatiga o el impacto no son muy elevados.

-

Esquinas abiertas, permite soldadura por ambos lados, es la más indicada para cargas de fatiga o de impacto.


Diseño de aparatos

73

Uniones a tope

Bordes rectos

Bordes en V

Bordes en U

Bordes en X

Bordes en doble U

Uniones en ángulo interior

Borde recto

Con simple chaflán

Con simple J

Con doble J


Con doble chaflán


74

Uniones a solape

Un solo cordón

Dos cordones

Uniones en ángulo exterior Esquina cerrada

Esquina semi abierta

Esquinas abiertas

Fig.20

6.2.2. Soldaduras La realización, calidad y acabado del cordón de soldadura dependerá en gran parte de la técnica operatoria que apliquemos; es importante el movimiento del electrodo. Así como para cordones estrechos no se dará nunca un movimiento de balanceo o rotación, para cordones anchos se deberá imprimir al electrodo diversos tipos de balanceo o rotación. El procedimiento más utilizado es el de soldadura por arco eléctrico, los electrodos utilizados pueden ser de dos categorías: desnudos y revestidos. Los electrodos revestidos constan de un núcleo metálico que está rodeado por un recubrimiento a base de celulosa, silicatos sódico o potásico, rutilo, etc.. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Diseño de aparatos

75

La misión del revestimiento es: / Limpiar y desoxidar el baño de fusión / Liberar gases inertes que protejan el baño de fusión / Formar sobre el material depositado una capa de escoria que proteja el cordón hasta que este se haya enfriado. / Facilitar el cebado y mantenimiento del arco / Reducir las proyecciones / Mejorar la penetración / Eliminar el azufre y carbono del baño de fusión

Los electrodos se definen por las siguientes características: Resistencia a la tracción, tracción máxima que puede resistir el cordón de soldadura si ha sido ejecutado correctamente. Alargamiento, porcentaje de longitud hasta obtener un diámetro L/5D. Resiliencia Posiciones de soldadura Corriente de soldadura Tipo de revestimiento

Estas características vienen representadas por una combinación de letras y números según diferentes normas: AWS, UNE,… Por ejemplo, en las UNE

E-XYZ- R- mn

E indica que se trata de un electrodo para la soldadura eléctrica por arco X número que indica resistencia a la tracción Y número que indica el alargamiento Z número que indica la resiliencia R letra que indica el tipo de recubrimiento m número que indica posición de soldadura n número que indica tipo de corriente eléctrica



76

Tabla XXXII n-corriente eléctrica Polaridad

del Corriente continua o alterna

electrodo

Sólo

Tensión mínima del transformador en circuito abierto 50 V

Buena con las dos 1

70 V

90 V

4

7

5

8

6

9

corriente

continua 0

polaridades Mejor

con 2

polaridad negativa Mejor

con 3

polaridad positiva

Tabla XXXIII m-posición de soldadura símbolos

posiciones

1

Todas las posiciones

2

Todas las posiciones excepto vertical descendente

3

Sobre plano horizontal, horizontal en ángulo en plano inclinado, y en ángulo anterior sobre plano horizontal

4

En ángulo sobre plano horizontal y horizontal en ángulo sobre plano inclinado

Tabla XXXIV R – tipo de revestimiento Símbolos

Carácter

A

Ácido

B

Básico

C

Celulósico

O

Oxidante

R

Rutilo

T

Titanio

V

Otros tipos © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Diseño de aparatos

77

Tabla XXXV Resistencia a la tracción Símbolos

2

Kgs/mm

0

Alargamiento L/5D

Resiliencia

Símbolos

Símbolos

%

0

Kgm/cm2

0

1

41

1

14

1

5

2

44

2

18

2

7

3

48

3

22

3

9

4

52

4

26

4

11

5

56

5

30

5

13

6

60

6

6

Soldadura de aceros al carbono

Hay que tener en cuenta el efecto del calor sobre la estructura. Al enfriarse de forma rápida la estructura perlítica o ferrítica, pasa a martensítica, que deja al acero extremadamente duro y frágil, aparecerán fisuras tanto en el cordón como en el metal base. En los aceros de bajo contenido en carbono pueden utilizarse cualquier tipo de electrodos, el calor no tiene efectos apreciables sobre el metal base. Se pueden utilizar electrodos de la serie E70XX o E60XX. Para los aceros de contenido medio de carbono (0.3-0.45%), se pueden utilizar electrodos del tipo E70XX; si se emplean E60XX, hay que evitar un enfriamiento rápido. En los aceros de alto contenido en carbono, las dificultades aumentan con el contenido de carbono. Deben utilizarse electrodos de elevada resistencia a la tracción E80XX,E90XX,E100XX. Se recomienda un precalentamiento del material (95-370º). Los aceros con más de un 8% de carbono son prácticamente insoldables.



78

Soldadura de aceros aleados

En los aceros de alto contenido en manganeso (< 2%), que se emplean para piezas sometidas a desgaste y a grandes impactos, se utilizarán electrodos del tipo E7010/E7020 con un 0.5% de Mo. Se recomienda un ligero calentamiento. En los aceros con un alto contenido en manganeso, que se utilizan para piezas sometidas a grandes desgastes (molinos, movimiento de tierras,...) se deberán seguir las siguientes recomendaciones: / Achaflanar las juntas y limpiar los bordes. / Trabajar con la intensidad de corriente más baja posible, para evitar la formación de zonas frágiles en la proximidad de la soldadura.

Los tipos de electrodos recomendables son los de acero inoxidable 18-8 (E30815,E30816,E31015,E31016).

En los aceros inoxidables de la serie 400 hay que tener las siguientes precauciones . Los ferríticos durante el proceso de soldadura adquieren cierto grado de fragilidad, que puede reducirse por martilleado en frío de la zona soldada y un recocido posterior. Los martensíticos endurecen cuando se enfría la soldadura, puesto que estos aceros suelen someterse posteriormente a un tratamiento térmico; los efectos de endurecimiento no suelen presentar problemas. Los aceros inoxidables de las series 220-300 presentan una estructura austenítica, lo que les hace extremadamente dúctiles y tenaces, incluso después de la soldadura. No necesitan tratamiento posterior si no se utilizan en atmósferas muy corrosivas; cuando vayan a utilizarse en estas condiciones es recomendable recocer la estructura soldada. El sistema más recomendable es la soldadura por arco con protección gaseosa, este procedimiento es el que altera menos la resistencia a la corrosión de estos aceros. Para los electrodos, el contenido de elementos de aleación debe ser igual o mayor que el del metal base, para compensar las pérdidas que se producen durante la fusión. Se utilizan electrodos de la serie E. Adjuntamos tabla.


Diseño de aparatos

79

Soldadura de aluminio

La mayor parte de los aluminios comerciales admiten fácilmente la soldadura, sea mediante llama oxiacetilénica, arco eléctrico con electrodos revestidos o protección gaseosa. Se recomienda utilizar un electrodo a base de aluminio 95% y silicio 5% ( EAl-43).

Soldadura del cobre y sus aleaciones

El cobre es un metal muy dúctil y maleable, y relativamente blando. No admite tratamientos térmicos, pero puede endurecerse por deformación en frío. Para el cobre electrolítico no se recomienda la soldadura oxiacetilénica, ya que aumenta excesivamente su fragilidad. Si la resistencia a la tracción exigida es mínima (< 13 Kg/mm2), puede soldarse con electrodo revestido. El cobre desoxidado con un porcentaje de fósforo admite todos los tipos de soldadura. Se han desarrollado electrodos especiales, como los tipos E-Cu, Sn-Cu, y E-Cu Al-A2. No se recomienda la soldadura en espesores superiores a los 6 mm, puesto que el Cu tiene un coeficiente de dilatación muy grande y es fácil la aparición de fisuras en frío. Para la soldadura del latón se utilizan electrodos de bronce fosforoso; es muy importante una buena ventilación; para evitar la concentración de humos ricos en óxidos de cinc, debido a la volatilización del cinc. El bronce debe soldarse con electrodos de bronce fosforoso, de revestimiento muy grueso y requiere corriente continua.

Soldadura de piezas galvanizadas La elevada temperatura que se alcanza en las operaciones de soldadura provoca la vaporización total o parcial del recubrimiento de zinc adyacente a la soldadura y la formación de humos blancos grisáceos de óxido de zinc que dificultan el trabajo del soldador. Por otra parte, esta misma evolución gaseosa puede contaminar el lecho de fusión y provocar porosidad en el cordón de soldadura. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


80

Hay que tomar ciertas precauciones para evitar estos defectos, en las soldaduras eléctricas por arco: 1) En las soldaduras a tope la separación entre bordes debe ser algo mayor que en el caso de soldar acero negro, para facilitar la salida de los vapores de óxido de zinc y evitar que provoquen porosidad en el cordón. Esta misma recomendación vale para las uniones en ángulo. 2) Es recomendable soldar lentamente e imprimir un movimiento pendular al electrodo para favorecer la disipación de los vapores de óxido de zinc y evitar la porosidad. 3) Se recomienda un ligero aumento de la intensidad de corriente, para estabilizar el arco y favorecer la vaporización del zinc. 4) Son preferibles los electrodos que producen escoria de solidificación lenta, con objeto de aumentar el tiempo de escape de los vapores. Para la soldadura de los aceros suaves y estructurales cuyas uniones soldadas no estén sometidas a solicitaciones especiales se recomiendan los electrodos recubiertos de rutilo o rutilocelulosa.

Una vez realizada la soldadura, hay que restaurar el recubrimiento protector. Se suelen utilizar pinturas ricas en zinc, con el espesor exigido en las normas.

Procedimientos especiales de soldadura

Soldadura MIG Se trata de un proceso de soldadura al arco eléctrico de corriente continua, bajo atmósfera de gas protector, que utiliza como electrodo una bobina de hilo de gran longitud. La gran velocidad de este procedimiento disminuye la amplitud de la zona afectada por el calor y por lo tanto los cambios estructurales del metal base. Permite la soldadura de espesores muy pequeños. Adjuntamos tabla XXXVI, donde se indica el gas de protección más adecuado para cada tipo de material.


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81

Tabla XXXVI Material

Gas más adecuado

Observaciones

Aleaciones de aluminio

Argón

Con corriente continua y polaridad inversa se limpian los óxidos superficiales del metal base.

Aleaciones aluminio-magnesio

75% helio 25% argón

La mayor aportación de calor reduce la tendencia a la porosidad. También limpia los óxidos superficiales.

Acero inoxidable

Argón + 1% de oxígeno

El oxígeno elimina las mordeduras cuando se trabaja con CC y polaridad inversa.

Argón + 5% oxígeno

Cuando se suelda con C.C. y polaridad inversa, el 5% de oxígeno mejora la estabilidad del arco.

Magnesio

Argón

Con C.C. y polaridad directa, limpia los óxidos superficiales.

Cobre

75% helio 25% argón

Aumenta la aportación de calor para contrarrestar la elevada conductividad térmica del cobre. Espesores finos.

Aceros al carbono

Argón + 2% de oxígeno

El

oxígeno

reduce

la

tendencia

a

producirse mordeduras. Níquel

Argón

Buen mojado .Disminuye la fluidez del baño de fusión.

Titanio

Argón

Reduce

la

térmicamente

amplitud afectada.

de

la Mejora

zona el

transporte del material de aportación. Inconel

Argón

Buen mojado. Reduce la fluidez del baño.

Bronce al silicio

Argón

Reduce la sensibilidad a la fisuración.

Bronce al aluminio

Argón

Reduce la penetración y la dilución. Normalmente se utiliza en operaciones de recargue.

Soldadura TIG

En este procedimiento, el arco de soldadura salta entre un electrodo de tungsteno, que no se consume durante la operación de soldadura, y la pieza a soldar. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


82

Un chorro de gas inerte, suministrado con una cierta presión a través de una boquilla que rodea el electrodo, expulsa el aire de las inmediaciones de la zona de soldeo, evitando la oxidación del electrodo, del baño de fusión y de la zona térmicamente afectada. El electrodo sólo se utiliza para establecer el arco. Como no se consume, no sirve como aporte de material. Para uniones que necesiten material de aportación, se utiliza una varilla metálica, que se introduce en el baño de fusión como en la utilización del soplete oxiacetilénico El gas de protección puede ser el argón, el helio o una mezcla de ambos gases; suele utilizarse más el argón, ya que es más barato y, en general, ofrece mejores características de protección. A continuación indicamos algunas particularidades en la soldadura TIG de diferentes materiales.

Aluminio Las aleaciones de las series 1000,3000 y 5000 son fácilmente soldables, en cuanto a las 2000, 6000 y 7000, son necesarias temperaturas más altas y velocidades de soldeo más elevadas. Para evitar fisuraciones, se recomienda el empleo de varillas más ricas en elementos de aleación que el metal base. El gas protector es el argón, corriente alterna y alta frecuencia.

Magnesio Admite variantes en cuanto a la corriente y al gas de protección. La corriente continua con polaridad inversa y gas helio produce cordones anchos y de pequeña penetración. La corriente alterna con alta frecuencia y gas argón se aplica a espesores de hasta 6mm.

Cobre y sus aleaciones

Se adapta muy bien, normalmente se utiliza la corriente continua y la polaridad directa. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Diseño de aparatos

83

Aceros inoxidables Los aceros inoxidables de las series 300 son perfectamente soldables con este procedimiento. Se suele utilizar corriente continua y polaridad directa, aunque también puede utilizarse corriente alterna y alta frecuencia. Este procedimiento está especialmente indicado en espesores pequeños. Si se utiliza material de aportación, es conveniente que sea más rico en Cr que el metal base; si aparecen síntomas de fisuración, debe efectuarse un precalentamiento entre 145 y 260º.

Aceros al carbono Los aceros con alto contenido en carbono presentan problemas de fisuración, que deberán obviarse mediante precalentamiento.

Aceros galvanizados No se recomienda utilizar este tipo de soldadura, porque los vapores de zinc provocan una interferencia con el arco y además deterioran los electrodos de wolframio.

Soldadura oxiacetilénica Utiliza como fuente de calor una llama que resulta de quemar una mezcla de acetileno y oxígeno en proporciones adecuadas. Alcanza temperaturas de 3482º, pudiendo fundir todos los metales comerciales. En la mayoría de los casos se utiliza material de aportación en forma de varilla, que se funde sobre los bordes facilitando la formación de la junta. Los sopletes presentan diferentes tamaños de boquillas según el espesor a soldar.



84

Tabla XXXVII

Boquilla número

Espesor pieza en mm

Presión O2 en Kg/cm2

Presión

acetileno

en

2

Kg/cm 00

0.4

0.5

0.5

0

0.8

0.5

0.5

1

1.6

0.5

0.5

2

2.4

1

1

3

3.2

1.5

1.5

4

4.8

2

2

5

6.3

2.5

2.5

6

8

3

3

7

9.5

3.5

3.5

8

12.5

3.5

3.5

9

16

4

4

10

20 o más

4.5

4.5

Control de las soldaduras

El control tiene por objeto garantizar la obtención de soldaduras y juntas soldadas de calidad. Es necesario intervenir en todos los estados de fabricación: proyecto, mano de obra, materiales utilizados, productos de aporte, técnica de ejecución, soldadura terminada. El control durante la soldadura deberá ser sobre: / Medio ambiente, temperatura, humedad / Preparación de los bordes / Presentación y punteado de los elementos a unir con los electrodos del tipo previsto / El cordón de raíz ( después de eliminar la escoria) se verificará si no hay fisuras o inclusiones de escoria / El limpiado correcto de los cordones y entre estos / La velocidad de ejecución


Diseño de aparatos

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/ El aspecto de cordones sucesivos / La utilización de los parámetros de soldadura definidos previamente / El calentamiento eventual / Los tratamientos térmicos eventuales

Control después de soldar

Ensayos no destructivos / Radiografía / Ultrasonidos / Exámenes visuales de los cordones / Control de estanqueidad / Partículas magnéticas / Líquidos penetrantes / Corrientes inducidas / Ensayos de dureza

Ensayos destructivos / Ensayos mecánicos : tracción, resiliencia, plegado / Exámenes metalográficos : micrografía y macrografía / Fresado de una parte del cordón

6.2.3. Adhesivos Normalmente, los adhesivos se aplican en forma líquida, y luego se endurecen y pasan a sólidos. En estado líquido suelen ser muy viscosos, y esta viscosidad va aumentando hasta solidificar. Los adhesivos se comportan como líquidos no newtonianos, ya que están constituidos por dispersiones, soluciones coloidales o sustancias fundidas, que, en general, contienen polímeros o agrupaciones macromoleculares, deformables elásticamente. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


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Estas moléculas tienen frecuentemente estructuras en cadena, con movilidad bidimensional, que se manifiesta por movimientos térmicos, perpendiculares a la longitud (movimiento browniano bidimensional), limitados por enlaces químicos, que las unen formando grupos o racimos macromoleculares. Es decir, su viscosidad sería de la forma j?

(S / s) m R

j= viscosidad S= esfuerzo cortante s= esfuerzo cortante inicial R= gradiente de velocidad =

V( velocidad) h (espesor )

Son sólidos que además de necesitar un esfuerzo cortante inicial s, presentan desviaciones con la ley de Newton, como consecuencia de la necesidad de deformar las partículas sólidas.

Aplicación El proceso de unión mediante adhesivos comporta las siguientes fases: / Aplicación / Espesamiento / Unión o pegado de las superficies / Endurecimiento La aplicación debe hacerse en capas continuas y muy delgadas. Normalmente se aplica en estado líquido, aunque hay veces que se aplica en forma de polvo, que luego se licúa. El líquido debe ser humectante. En cuanto a la porosidad o rugosidad de la superficie a unir, no es conveniente, ya que aunque aumenta el área real; una penetración excesiva puede producir malas uniones. Es indispensable una limpieza y secado a fondo de las superficies a unir.


Diseño de aparatos

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Si el adhesivo está disuelto, el espesamiento se debe fundamentalmente a la evaporación del disolvente. Para que esta evaporación tenga lugar es preciso que el disolvente sea capaz de difundirse a través de los cuerpos que van a unirse. Por ejemplo, al intentar uniones de plásticos a base de PVC, ya que el PVC es solamente soluble en muy pocos disolventes (ciclohexano, metilciclohexano), al prepara el adhesivo hay que utilizar precisamente estos disolventes, ya que en otro caso el disolvente quedaría retenido. En el caso de geles, colas animales por ejemplo, se aplican en soluciones calientes, que gelifican al enfriarse, transformándose en sólidos por un proceso de cristalización; a continuación sigue un proceso de fraguado de la capa de cola. Cuando se trata de adhesivos constituidos por resinas, es frecuente el empleo de endurecedores que se adicionan, en proporción adecuada, en el momento de la aplicación. Frecuentemente se aplican elevando la temperatura, por lo que en una primera fase se produce una mayor fluidez, comenzando entonces a actuar el endurecedor, manteniéndose durante un cierto intervalo de tiempo la viscosidad constante hasta que, en la etapa final, se produce un aumento de la viscosidad hasta alcanzar el estado sólido. La cualidad de la que depende la unión entre superficies es la llamada pegajosidad (tackiness). No se conoce bien su origen, guardando relación con otras propiedades: adherencias, cohesión, tensión superficial. Stefan estudió las fuerzas y los tiempos necesarios para separar dos discos de vidrio de radio R, situados inicialmente a una distancia d, y sumergidos en un fluido de viscosidad j, siendo t el tiempo de aplicación: Fx t ?

3rjR 4 4D

La fuerza de despegue será pequeña si se aplica durante mucho tiempo, mientras que, si se aplica en muy poco tiempo, tiene un valor muy grande, superior incluso a la resistencia a la tracción del sólido. Una aplicación de este hecho se puede dar considerando que el adhesivo está formado por moléculas largas entrelazadas. Aplicando una fuerza lentamente, las moléculas interiores responden con movimientos rotativos, orientándose en la dirección de la fuerza aplicada, distribuyendo el esfuerzo y permitiendo la separación.



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Sea por acción química, por evaporación del disolvente o por enfriamiento, la unión de las superficies se produce cuando se endurece el adhesivo. Las principales propiedades que deben tener son la resistencia a la tracción y a la cortadura. Estos valores son superiores en una capa de adhesivo que une dos superficies que en un trozo de adhesivo, y mayores cuanto menor es el espesor de la capa. La explicación cualitativa puede ser la disposición no sólo de las moléculas cuyas cabezas tocan la superficie del sólido, sino otra serie de moléculas, en el interior del líquido, que forman cadenas que dan solidez a la unión. La resistencia es superior en capas delgadas, debido a que en las gruesas puede haber mayor probabilidad de fallos y defectos en la masa del adhesivo producidos en el proceso de solidificación. Con relación al módulo elástico, la selección de un adhesivo debe realizarse buscando productos más elásticos que los materiales que une, que no estén afectados por las dilataciones o contracciones de los materiales que unen.

Comportamiento de un adhesivo endurecido Consideraremos tres factores que pueden afectar a los adhesivos:

a.- Agua La presencia de vapor de agua afecta en mayor o menor grado a las uniones. Los adhesivos son, en general, productos orgánicos que con frecuencia muestran gran afinidad para absorber capas de agua, como consecuencia de sus grupos polares e iones hidroxilo. La absorción de agua produce dilataciones en los límites del adhesivo endurecido, originando fuerzas tangenciales. Además, al situarse entre las moléculas de adhesivo, por su carácter polar, satura las zonas activas de dichas moléculas, haciendo perder la adherencia entre ellas, aumentando su volumen y produciendo deformaciones de la unión. En los casos en que los materiales que se unen, tengan afinidad con el agua, ésta se fija sobre su superficie, disminuyendo, como consecuencia, las fuerzas de unión con el adhesivo.


Diseño de aparatos

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b.- Temperatura Los adhesivos cumplen normalmente su misión en una determinada zona de temperaturas y por debajo de ella son rígidos y frágiles. La elevación de temperatura puede producir cambios químicos, variando totalmente sus propiedades. Por otra parte, los coeficientes de dilatación de adhesivos y materiales unidos pueden ser diferentes, dando lugar a fuertes tensiones internas.

c.- Formas de unión La determinación de cómo se va a llevar a cabo la unión de dos piezas depende de muchos factores, tales como su forma y adhesivos a utilizar, y requiere un conocimiento de las fuerzas exteriores que actuarán sobre esta unión. Cuando se trata de unir materiales diferentes, es necesario tener en cuenta los coeficientes de dilatación térmica. Los estudios de resistencia de uniones se hacen muchas veces por métodos fotoelásticos, actuando en algunos casos el propio adhesivo como material fotoelástico.

Clases de adhesivos Existe una gran diversidad de productos adhesivos. Por sus aplicaciones en la industria estudiaremos los:

/ Inorgánicos / Derivados del caucho / Sintéticos

a.- Inorgánicos Dejando a un lado los utilizados en la construcción : yeso, cementos, etc, los silicatos sódicos tienen propiedades muy buenas y bajos costos. La adherencia de estos silicatos se debe a que reaccionan químicamente con las sustancias que unen. El endurecimiento se realiza por pérdida de agua. El producto final es duro y vítreo e inatacable por bacterias y hongos.



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Aplicaciones: para uniones de vidrio, para pegar láminas de aluminio o cobre en muros y techos, en la fabricación de aislantes: al calor, acústicos, eléctricos.

b.- Derivados del caucho La combinación caucho-metal conduce a piezas con la resistencia mecánica del metal, a la que se unen las propiedades propias del caucho: protección anticorrosiva, absorción de vibraciones… Estas uniones se logran de varias formas: por intermedio de una capa de latón depositada por galvanoplastia; sobre la superficie metálica, el caucho se adhiere al latón gracias al azufre. Adherización por medio de una capa de ebonita, aunque presenta inconvenientes: la ebonita es frágil a bajas temperaturas y la adherencia de la ebonita al metal baja mucho con la temperatura ( < 90º) ; otro inconveniente es la vulcanización, ya que la ebonita necesita vulcanizaciones lentas y largas y el caucho blando, para mantener su elasticidad, necesita vulcanizaciones rápidas. Termoprenos: Son colas a base de cauchos cíclicos, también pierden adherencia a elevadas temperaturas. Caucho clorado: Son colas en que el caucho está disuelto en xilol. Polyisocianatos: ( Desmodur de Bayer, Vulcabond de ICI). Se presentan en soluciones al 20% en cloruro de metileno. Pueden alcanzar resistencias de 70-100 Kg/cm2. Resisten temperaturas de 150º.

c- Sintéticos En general son resinas sintéticas que se aplican en estado poco polimerizado, y se transforman, bien por el calor o bien añadiendo endurecedores ( agentes reticulantes).

a) Termoendurecibles: Se utilizan para unir metales y pueden resistir grandes esfuerzos. Entre los más usados se encuentran : / Productos de condensación del formaldehido con fenol, urea o melamina / Poliuretanos / Resinas epoxi (Araldit de Ciba) / Siliconas


Diseño de aparatos

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Al aplicarlos debe haber una buena humectación y durante el proceso de endurecimiento no deben producirse tensiones internas, tensiones que pueden aparecer por el mismo adhesivo, porque sufra grandes contracciones al endurecerse o por grandes diferencias entre el coeficiente de dilatación térmica del adhesivo y el adherente. Pueden producirse también malas uniones si los productos volátiles que se producen en la reacción de condensación quedan retenidos y no se eliminan. En todos los casos depende mucho la resistencia de la unión del estado superficial de los metales, que deben ser previamente desengrasados y decapados.

Estos adhesivos se denominan también estructurales, ya que permiten realizar uniones capaces de reaccionar, en condiciones de trabajo, a solicitaciones estáticas o dinámicas sin que se produzcan deformaciones permanentes, aun después de un período suficientemente largo

b) Termoplásticos Los principales productos son: / Resinas polivinílicas: acetato de polivinilo, resinas acrílicas / Esteres de celulosa: nitrato, acetato, ester mixto de acético y butírico

Suelen utilizarse disueltos y el problema es eliminar el disolvente, sobre todo cuando los adherentes no son porosos. Se seleccionan disolventes volátiles, y suele esperarse un tiempo, una vez aplicada la capa de adhesivo a ambas superficies, para que se evapore el disolvente, antes de juntarlas. No pueden soportar grandes cargas, se pueden soldar en caliente dando uniones con resistencias similares a las de las planchas originales. En la industria aeronáutica se emplean para el sellado de cabinas, uniones estancas… donde se requiere que el material no sea rígido y cumpla su misión a pesar de los movimientos relativos de las piezas, que unen, bien por deformaciones elásticas como consecuencia de las cargas exteriores, o bien por dilataciones térmicas.



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Aplicación de adhesivos

Aunque la mayoría de los adhesivos tienen más de una aplicación, ninguno es totalmente universal, de aquí que la selección del adhesivo se debe efectuar tras haber considerado las condiciones de empleo y las técnicas de unión adoptadas. Un aspecto esencial del adhesivo es su comportamiento con relación a las superficies a ser unidas, de modo que bañe ambas superficies. Para ello en muchos metales es necesario que su superficie sea activada para eliminar la película pasiva (aceros inoxidables) y favorecer el empapado por el adhesivo. Esta activación puede practicarse con sistemas mecánicos o químicos, si bien en general se prefieren los primeros a los segundos. Las operaciones a seguir en estos sistemas son las siguientes :

a) Sistema mecánico -

Desgaste previo

-

Arenado con abrasivo inerte ( alúmina, corindón, etc, con granulometria de 150/200 mesh), o bien con telas o fieltros abrasivos de granulometria análoga

-

Lavado con agua y secado

b) Sistema químico Se emplean soluciones de ataque del tipo siguiente: - Ácido oxálico

14 Kg

- Ácido sulfúrico (1,82g/cm3) 12,2 Kg - Agua

70 litros

Efectuándose las siguientes operaciones: -

Inmersión en la solución (85-90º) de la zona a ser activada

-

Eliminación de los productos de corrosión mediante escobillas inertes

-

Lavado con agua fria


Diseño de aparatos

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Independientemente del sistema de activación empleado, éste se debe realizar inmediatamente antes de la deposición del adhesivo, pues de lo contrario se volvería a formar la película pasiva. Tras la preparación superficial, las siguientes fases en la realización de la unión son : -

Aplicación del adhesivo

-

Posicionamiento relativo de las piezas

-

Agarre del adhesivo

Tanto la aplicación como el agarre del adhesivo diferirán de un adhesivo a otro, ya que la forma de presentación del mismo (pasta, mono, o bicomponente,etc.) supone una técnica distinta, así como con el agarre, que puede producirse a temperatura ambiente o a temperaturas mayores, con bajas o altas presiones de posicionamiento. Por último, insistir en el hecho que debido a sus diferentes propiedades, las condiciones a las que estarán expuestos los adhesivos deberán ser especificadas al adquirir el mismo. Un adhesivo determinado puede perder su resistencia en algunos ambientes, mientras que otro puede permanecer inalterable durante años bajo condiciones similares. Muchos adhesivos que son resistentes a temperaturas externas normales pierden su resistencia y se quiebran a - 54º. Otros que funcionan bien a esta temperatura pueden ablandarse o deslizarse cuando se exponen a temperaturas elevadas. La correcta selección de un adhesivo asegurará una unión resistente bajo los requerimientos de su aplicación.

6.2.4. Juntas – Bridas Las juntas de tuberías ideales están libres de cambios en cualquier dimensión de pasaje de flujo o la dirección, que incremente la caída de presión o impida el drenaje completo. No deben tener hendiduras en las que se pueda acelerar la corrosión. Requerirán un mínimo de trabajo para su desmontaje.

Juntas soldadas La junta más utilizada es la soldadura por ensamble.

Fig.21



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Las tuberías de extremo liso utilizan juntas de casquillo soldado. Se limitan a tamaños de 7,6 cm y menores. No son tan resistentes a los esfuerzos de flexión como la soldadura por ensamble; la grieta entre la tubería y el casquillo puede fomentar la corrosión. El espesor de la pared del casquillo debe ser igual o mayor que 1,25 veces la pared mínima de la tubería.

Fig. 22

Las soldaduras bifurcadas eliminan la necesidad de adquirir tes y no requieren más metal de soldadura que estas últimas. Donde la bifurcación se acerque al tamaño del tramo principal, se necesita una preparación cuidadosa del extremo de la tubería ramificada y la del tramo principal se debilita debido a la soldadura.

Fig.23

Juntas roscadas

El uso principal de las juntas roscadas se hace en los tamaños de 5 cm o menos. El fileteado es difícil, las roscas estrían las tuberías y provocan pérdidas de resistencia, fatiga y corrosión.

Como ayuda para montar y desmontar tanto los sistemas roscados como los soldados, se utilizan juntas de unión.


Diseño de aparatos

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Juntas embridadas

Para tuberías mayores de 5 cm, cuando se espera tener que desmontar la tubería, la junta embridada es la más utilizada.

Fig.24



Inspección de materiales

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7 Inspección de materiales 7.1. Ensayos no destructivos Consisten en la evaluación de los materiales sin perjudicar su utilización. Las técnicas dominantes en este campo son :

-

Radiografía de rayos X

-

Ultrasonidos

-

Métodos adicionales

a.- Radiografía de rayos X

Este procedimiento actúa con una resolución del orden de 1 mm . Se emplea ampliamente en la inspección de piezas de fundición y soldaduras. En un determinado material que se inspecciona con un haz de rayos X de energía dada, la intensidad del haz I, transmitida a través de un grosor de material m, viene dada por la ley de Beer:

I ? I 0 exp(/om)

donde I0 es la intensidad del haz incidente y o es el coeficiente de absorción para el material. El coeficiente de absorción es función de la energía del haz y de los elementos que componen el material. En la tabla XXXVIII se indica el coeficiente de absorción del hierro en función de la energía del haz de rayos X.



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Tabla XXXVIII

Energía en MeV

o mm-1

0,05

1,52

0,10

0,293

0,50

0,0662

1,00

0,0417

2,00

0,0334

4,00

0,0260

En general, hay una caída en la magnitud de o al aumentar la energía del haz, debido principalmente a mecanismos de absorción y dispersión de fotones. En la tabla XXXIX se indica la dependencia del coeficiente de absorción lineal con el material, suponiendo un haz de rayos X con una energía de 0,1 MeV. Se puede notar como o aumenta con el número atómico del elemento que constituye el material.

Tabla XXXIX Material

Número atómico

o mm-1

Aluminio

13

0,0459

Titanio

22

0,124

Hierro

26

0,293

Níquel

28

0,396

Cobre

29

0,410

Cinc

30

0,356

Wolframio

74

8,15

Plomo

82

6,20

b.- Ensayos por ultrasonidos El factor clave en la inspección por ultrasonidos es la reflexión de las ondas ultrasónicas en las interfases entre materiales diferentes. El coeficiente de reflexión R, definido como el cociente entre la intensidad reflejada Ir, y la intensidad incidente Ii, viene dado por © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Inspección de materiales

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R ? ]( Z 2 / Z1 ) /( Z 2 - Z1 )_

2

donde Z es la impedancia acústica, que se define como el producto de la densidad del material por la velocidad del sonido, y los subíndices 1 y 2 se refieren a los de los dos materiales diferentes a cada lado de la interfase. El alto grado de reflectividad de una imperfección típica, tal como una grieta interna, es la base de la inspección de defectos. En la figura se ilustra una inspección de ultrasonidos.

Pulso inicial

Superficie anterior

intensidad

Superficie posterior Defecto

Tiempo

Fig. 25

c.- Métodos adicionales

-

Ensayo de corrientes inducidas

-

Ensayo de partículas magnéticas

-

Ensayo de líquidos penetrantes

-

Ensayo de emisión acústica

El ensayo de corrientes inducidas se basa en que la impedancia de una bobina se ve afectada por la presencia de una pieza de ensayo adyacente y electricamente conductora, en la que la bobina ha inducido corriente alterna. La impedancia es función de la composición y/o de la geometría de la pieza. Variando la frecuencia del ensayo, se © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


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puede usar tanto para grietas superficiales como subsuperficiales. Se limita a piezas conductoras y es de naturaleza cualitativa.

En el ensayo de partículas magnéticas, un polvo fino de partículas magnéticas de Fe3O4 es atraído por la dispersión del flujo magnético alrededor de una discontinuidad, como una grieta superficial en una pieza de ensayo magnetizada. Está restringido a materiales magnéticos.

En el ensayo de líquidos penetrantes, la capilaridad de un polvo fino en la superficie de una muestra saca un líquido de alta visibilidad que ha penetrado previamente en los defectos superficiales. En materiales porosos hay una gran pérdida de resolución.

El ensayo de emisión acústica mide las ondas ultrasónicas producidas por defectos en la microestructura del material como respuesta a un esfuerzo aplicado. En general, el ritmo de emisiones acústicas aumenta acusadamente justo antes del fallo, con lo que monotirizando continuamente estas emisiones, se puede retirar la carga estructural a tiempo de evitar el fallo. Se utiliza en la vigilancia continua de recipientes a presión.


Preguntas de síntesis

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Preguntas de síntesis 1.- Enumerar los parámetros necesarios para un

buen diseño.

Son esenciales para un buen diseño: / Tamaño de la planta / Condiciones de trabajo / Tipo de corrosión / Adecuada información de los materiales que se pueden escoger / Sus características frente a la corrosión. / Cuestiones económicas

2.- Para el transporte de ácido sulfúrico concentrado en una tubería de acero al carbono, ¿deben utilizarse tuberías de diámetros pequeños o grandes? El ácido sulfúrico concentrado en frío puede transportarse en tuberías de acero al carbono siempre que la velocidad de circulación sea inferior a 1m/seg. Debido a ello, en este caso, es mejor utilizar tuberías de acero al carbono de diámetros grandes que tuberías de acero inoxidable de diámetros pequeños.

3.-Indicar el material idóneo para los serpentines de calefacción de tanques que contienen sosa cáustica. Escoger entre acero al carbono y níquel.



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Si los serpentines de calefacción de tanques que contienen sosa cáustica se colocan fuera del tanque, pueden ser de acero al carbono, pero si se colocan en el interior deben ser de aleaciones de níquel, ya que el acero al carbono está sujeto a la fragilidad cáustica.

4.-Indicar qué características permiten identificar un material por el ensayo a la chispa. / Color / Longitud promedio de las trazas / Número y tamaño de las arborescencias

5.-Indicar cómo se realiza la identificación de un metal por un ensayo termoeléctrico.

Este sistema se funda en la medición del voltaje que se produce cuando se calienta una zona donde se juntan dos metales diferentes. El voltaje observado depende del par de metales.

6.- Indicar el fundamento de la resistencia a la corrosión ambiental de los aceros inoxidables.

La base de la resistencia a la corrosión ambiental de estos materiales reside en la adición de cromo. A partir de la adición de aproximadamente un 12% de cromo, se forma una capa uniforme, continua, adherente y muy delgada de óxido de cromo (Cr2O3), que pasiva la superficie del acero.

7.-Indicar si un acero inoxidable con un alto contenido en carbono será idóneo para resistir la corrosión. Elementos nocivos

C, S,P, Si, Co, O, H, N, Metales de bajo punto de fusión (Sn,Zn,Pb)



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8.-Indicar qué tipo de estructura de un acero inoxidable es más resistente a la corrosión. Los aceros austeníticos. En cuanto a la resistencia a la corrosión, en general, superior a la de los anteriores, por su menor contenido en carbono

9.- Indicar la justificación de que los aceros inoxidables templados o templados+revenidos tengan menor resistencia a la corrosión

Los estados templado o templado+revenido disminuyen siempre la resistencia a la corrosión, al provocar precipitaciones de carburos de cromo, lo que disminuye el contenido de cromo en las zonas vecinas a dichas precipitaciones.

10.- Indicar qué elementos utilizaría para evitar la corrosión generalizada de un acero inoxidable en un medio ácido reductor. Medio

Elementos

de

aleación

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Mo

Ti

Nb

Cu

N

o/-

--

o

--

--

++

+

++

+

+

++

-

ácido Reductor

11.-Indicar los agentes causantes de la corrosión por picadura de un acero inoxidable. Los agentes causantes de esta corrosión son : F-, Cl-, Br-, sulfuros y bisulfuros.

12.-Indicar los orígenes de la corrosión intergranular de los aceros inoxidables. Este tipo de corrosión pude tener diferentes orígenes:



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/ Precipitación de carburos de Cr, Ti, Nb / Precipitación de fases intermetálicas / Medios ácidos fuertemente oxidantes

13.- Indicar los medios más peligrosos y frecuentes entre los que provocan corrosión bajo tensiones en los aceros austeníticos.

/ Soluciones acuosas contaminadas con iones haluro, especialmente cloruros / Soluciones fuertemente alcalinas / Medios contaminados con ácidos politiónicos / Soluciones conteniendo iones cloruro y sulfuro

14.- Indicar los aceros idóneos en la fabricación de tuberías sumergidas en agua de mar. Los aceros aleados con Mo(tipo AISI 316), pueden utilizarse a temperatura inferiores a 25-30º; el agua debe circular con buena velocidad ( > 1-2 m/s); hay que vigilar la formación de depósitos e incrustaciones

15.-Indicar el tipo de aceros inoxidables idóneos para recipientes que contengan ácido nítrico concentrado a temperaturas superiores a 50º.

En ácido nítrico muy concentrado (> 85%) y a temperaturas superiores a los 40-50º, o en soluciones nítricas con agentes fuertemente oxidantes (cromatos), deben utilizarse aceros especiales con Si (Cr18/Ni14/Si4).

16.-Indicar los aceros inoxidables idóneos para instalaciones en contacto con ácidos orgánicos. Hay que utilizar aceros con bajo contenido en carbono (304L,316L) o estabilizar con Ti o Nb (AISI 321,347). © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


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17.-Indicar las soluciones salinas más agresivas para los aceros inoxidables. Las soluciones salinas más agresivas para los aceros inoxidables son: hipoclorito, clorito, cloruros, y sulfuros.

18.-Indicar cómo debe preparase una aleación Al-Mg para que sea más efectiva contra la corrosión.

El Mg debe estar en disolución sólida o en pequeños precipitados dispersados homogéneamente; si se halla concentrado en los límites del grano, el Mg reacciona con el hidrógeno forma hidruros y se rompe por fragilidad por hidrógeno. Deben realizarse tratamientos térmicos adecuados para que su dispersión sea homogénea.

19.-Indicar con qué metal debe alearse el Ni para mejorar su resistencia a la corrosión de ácido fosfórico.

Con un 28% de Mo resiste los ácidos clorhídrico, fosfórico, fluorhídrico y sulfúrico en concentraciones de hasta el 60%.

20.-Indicar por qué es conveniente utilizar titanio para intercambiadores de calor donde el fluido circula a elevada velocidad.

Es económico por su gran resistencia a la corrosión a elevadas temperaturas. Aunque su precio es elevado, su densidad es aproximadamente la mitad que el acero o aleaciones de níquel. Tiene una gran resistencia a la erosión y cavitación, por lo tanto es ideal para bombas e intercambiadores de calor donde el fluido circula a gran velocidad. No sufre la corrosión localizada (picadura).



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21.- Indicar el metal idóneo en una instalación donde se alterna el contacto con ácidos fuertes y álcalis fuertes.

Una de las principales aplicaciones del circonio es en procesos donde se alterna el contacto con ácidos fuertes y álcalis fuertes

22.-Indicar el tipo de resina aplicable al recubrimiento de conductos de incineradores de productos químicos.

Conductos de incineradores

Productos químicos a 300º

Poliésteres insaturados clorados

23.- Indicar qué condiciones de trabajo influyen al escoger una resina para un recubrimiento anticorrosivo.

-

Tipo de productos químicos

-

Concentraciones máximas y mínimas

-

Rango de pH

-

Máximo y mínimo de temperaturas

-

Si se requiere resistencia a la abrasión o agitación

-

Requerimientos de aislamiento térmico

-

Retardancia al fuego

24.-Indicar qué material se utilizará para la carcasa de una bomba centrífuga en una industria farmacéutica a temperaturas de 140º.

Fluorplásticos. Tienen una excelente resistencia a la corrosión; el politetrafluoretileno es prácticamente inerte, aunque el fluorpolivinilideno tiene mejores propiedades mecánicas; resisten hasta 150º. El etilen clorotrifluoretileno tiene una gran resistencia al impacto, aunque inferior resistencia química que el politetrafluoretileno puro.



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25.-Indicar qué precauciones debemos tener al revestir con teflón una tubería por la que circulan gases

- Permeabilidad. Aunque las resinas indicadas resisten químicamente los agentes agresivos, algunas como el politetrafluoretileno, fluor etilen-propileno y el polifluoracetato son susceptibles de absorción y permeabilidad. Es interesante para prevenir este efecto que entre el recubrimiento y el acero exista una capa de aireación, suelen colocarse entre ambos unas canales en forma de espiral.

26.-Indicar en qué tipo de hornos utilizaremos ladrillos refractarios de magnesita.

Ladrillos de magnesita: se usan en revestimiento de hornos de procesos básicos y óxidos en la fabricación de aceros.

27.-Indicar por qué el óxido férrico presente en refractarios es perjudicial frente al CO.

El óxido férrico, presente en pequeñas cantidades en muchos refractarios, se convierte en carburo de hierro. Éste cataliza la descomposición del CO en CO2 y C entre 400º700º, y el C se deposita sobre el óxido de hierro y se llega a producir una serie de tensiones que desintegran el refractario; para evitarlo debe trabajarse a temperaturas inferiores a las indicadas o eliminar el óxido de hierro.

28.- Indicar las condiciones ambientales que pueden definir la utilización de un material en los recipientes a alta presión. Las condiciones ambientales pueden definir el tipo de material; para estos aparatos las más importantes son: -

Corrosión

-

Altas temperaturas

-

Presencia de hidrógeno



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29.-Indicar qué precauciones deben tomarse al soldar recipientes de alta presión.

Al soldar hay que tomar precauciones para que no se produzca un craqueo al enfriarse, esta dificultad puede minimizarse al escoger materiales con bajo contenido en carbono o mediante un precalentamiento.

30.-Definir el factor de empaque de una junta.

Cuando una junta tiene que soportar una presión interna, la brida debe apoyarse contra el empaque con una presión que es un múltiplo de la presión interna. Este múltiplo se conoce como factor de empaque.

31.-Indicar las precauciones que hay que tomar al volver a montar un recipiente de alta presión después de una reparación.

Se deben colocar adecuadamente los empaques, sobre todo si están en ranuras. Los pernos deberán apretarse con una secuencia adecuada, debe emplearse la técnica de salto. Al principio se apretarán dos pernos separados 180º, luego otros dos separados 90º de cada uno de los anteriores, etc... Después del montaje es conveniente someter a los recipientes a una prueba hidrostática.

32.-Indicar en qué casos las uniones en ángulo exterior son las más indicadas.

Son las más indicadas para cargas de fatiga o de impacto.

33.- Indicar la misión del revestimiento de electrodos para soldadura.

/ La misión del revestimiento es: / Limpiar y desoxidar el baño de fusión / Liberar gases inertes que protejan el baño de fusión © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


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/ Formar sobre el material depositado una capa de escoria que proteja el cordón hasta que éste se haya enfriado. / Facilitar el cebado y mantenimiento del arco / Reducir las proyecciones / Mejorar la penetración / Eliminar el azufre y carbono del baño de fusión

34.-Indicar las características de un electrodo definido por E-543-C-27

/ Corriente eléctrica con las dos polaridades 90V / Posición de la soldadura: todas las posiciones excepto la vertical descendente / Revestimiento celulósico / Resiliencia 9 Kgm/cm2 / Alargamiento 26% / Resistencia a la tracción 56 Kg/mm2

35.-Indicar qué precauciones deben tomarse en la soldadura de aceros con un alto contenido en manganeso. / Achaflanar las juntas y limpiar los bordes / Trabajar con la intensidad de corriente más baja posible, para evitar la formación de zonas frágiles en la proximidad de la soldadura. / Los tipos de electrodos recomendables son los de acero inoxidable 18-8 (E30815,E30816,E31015,E31016)

36.-Indicar qué precauciones hay que tomar en la soldadura del latón. Para la soldadura del latón se utilizan electrodos de bronce fosforoso; es muy importante una buena ventilación para evitar la concentración de humos ricos en óxidos de cinc debidos a la volatilización del cinc. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


110

37.-Indicar la misión del electrodo en la soldadura por el procedimiento TIG. El electrodo sólo se utiliza para establecer el arco. Como no se consume, no sirve como aporte de material. Para uniones que necesiten material de aportación, se utiliza una varilla metálica, que se introduce en el baño de fusión como en la utilización del soplete oxiacetilénico

38.-Indicar cómo se escoge el tamaño de la boquilla en un soplete de soldadura oxiacetilénica.

Boquilla número

Espesor pieza en mm

Presión O2 en Kg/cm2

Presión

acetileno

en

2

Kg/cm

39.-Indicar las variables a tener en cuenta durante la soldadura. El control durante la soldadura deberá ser sobre: / Medio ambiente, temperatura, humedad / Preparación de los bordes / Presentación y punteado de los elementos a unir con los electrodos del tipo previsto / El cordón de raíz ( después de eliminar la escoria) Se verificará si no hay fisuras o inclusiones de escoria / El limpiado correcto de los cordones y entre éstos / La velocidad de ejecución / El aspecto de cordones sucesivos / La utilización de los parámetros de soldadura definidos previamente / El calentamiento eventual / Los tratamientos térmicos eventuales.

40.-Indicar qué disolvente utilizaríamos para aplicar un adhesivo a base de PVC.



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Al intentar uniones de plásticos a base de PVC, ya que el PVC es solamente soluble en muy pocos disolventes (ciclohexano, metilciclohexano), hay que utilizar precisamente estos disolventes, ya que en otro caso el disolvente quedaría retenido.

41.-Indicar cómo debe realizarse la selección de un adhesivo con relación al módulo elástico.

Con relación al módulo elástico, la selección de un adhesivo debe realizarse buscando productos más elásticos que los materiales que une y que no estén afectados por las dilataciones o contracciones de los materiales que unen.

42.- Indicar qué parámetros hay que tener en cuenta principalmente al escoger un adhesivo para unir materiales diferentes.

Cuando se trata de unir materiales diferentes, es necesario tener en cuenta los coeficientes de dilatación térmica.

43.-Razonar el tipo de adhesivos que escogería para la industria aeronáutica.

Adhesivos termoplásticos, ya que en la industria aeronáutica se emplean para el sellado de cabinas, uniones estancas…, donde se requiere que el material no sea rígido y cumpla su misión a pesar de los movimientos relativos de las piezas que unen, bien por deformaciones elásticas como consecuencia de las cargas exteriores o por dilataciones térmicas.

44.-Indicar qué características deben cumplir las juntas de tuberías ideales.

Las juntas de tuberías ideales están libres de cambios en cualquier dimensión de pasaje de flujo o la dirección, que incremente la caída de presión o impida el drenaje completo.



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No deben tener hendiduras en las que se pueda acelerar la corrosión. Requerirán un mínimo de trabajo para su desmontaje.

45.- Indicar cómo varía el coeficiente de absorción de una radiación por un metal según la energía del haz.

En general, hay una caída en la magnitud de o al aumentar la energía del haz, debido principalmente a mecanismos de absorción y dispersión de fotones

46.-Indicar cómo varía el coeficiente de absorción de una radiación por un metal en función del número atómico del elemento que constituye el metal.

Se puede notar como o aumenta con el número atómico del elemento que constituye el material.

47.-Definir la impedancia acústica.

Se define como el producto de la densidad del material por la velocidad del sonido.

48.-Indicar en qué se basa la utilización de los ultrasonidos en la inspección de defectos en un material.

El alto grado de reflectividad de una imperfección típica, tal como una grieta interna, es la base de la inspección de defectos.

49.-Indicar en qué se basa el ensayo de emisión acústica para determinar un fallo en un material.

El ensayo de emisión acústica mide las ondas ultrasónicas producidas por defectos en la microestructura del material como respuesta a un esfuerzo aplicado. En general, el © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


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ritmo de emisiones acústicas aumenta acusadamente justo antes del fallo, con lo que monotirizando continuamente estas emisiones se puede retirar la carga estructural a tiempo de evitar el fallo. Se utiliza en la vigilancia continua de recipientes a presión.

50.-Indicar en qué se basa el ensayo de partículas magnéticas para determinar un fallo en un material.

En el ensayo de partículas magnéticas, un polvo fino de partículas magnéticas de Fe3O4 es atraído por la dispersión del flujo magnético alrededor de una discontinuidad, como una grieta superficial en una pieza de ensayo magnetizada. Está restringido a materiales magnéticos.


Bibliografía

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Bibliografía Green, Richard W., Corrosion Control in the Process Industries, McGraw Hill, New York,1985

Shanckelford, James F., Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros, Prentice Hall Iberia, Madrid, 1998

Perry, Robert H., Manual del Ingeniero Químico, McGraw Hill, México, 1982

Bagó Miguel, Antonio, Teoría y Praxis de la Soldadura, CPDA-ETSEIB, Barcelona, 1995

Bilurbina, Luis – Liesa, Francico. Fonaments de la corrosió i mesures de protecció, Edicions UPC, Barcelona, 1996

Smith, William F. Fundamentos de la Ciencia de Materiales, McGraw Hill, Madrid, 1998

Uhlig, Herbert H., Corrosión y Control de Corrosión, Urmo S.A. Ediciones, Bilbao, 1979

Bilurbina, Luis – Liesa, Francico, Materiales no metálicos resistentes a la corrosión, Marcombo S.A., Barcelona, 1990

Fichas técnicas ATEG Galvanización en caliente-Barcelona 2000.


Problemas

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Problemas POTENCIALES ELECTRÓDICOS Y PILAS GALVÁNICAS. 1. Escribir ecuaciones para las semirreacciones de oxidación, reducción y para la ecuación neta de los siguientes procesos: a) Desplazamiento de Cu2+ (aq) por Fe (s) b) Oxidación del Br- a Br2 (aq) por el Cl2 (aq) c) Reducción del Fe3+ (aq) a Fe2+ (aq) por el Al (s) d) Oxidación de cloruro a clorato en disolución ácida por el permanganato e) Oxidación del sulfuro a sulfato por el oxígeno gas en disolución básica 2. Se construye una pila utilizando un electrodo estándar de Zn (E0 Zn2+ /Zn = -0,763 V) y electrodos estándar de otros metales cuyos potenciales normales se indican a continuación. Indicar para cada caso la reacción global de la pila, así como su f.e.m. estándar.

Electrodo

Mn 2+/Mn

Po2+/Po

Ti2+/Ti

V2+/V

E0 (V)

0,417

-1.13

0,87

0,37

3. Una célula voltaica representada por el esquema que se da a continuación posee una f.e.m. de 1,250 V. ¿Cuál será el valor de [Ag+] en la célula? Zn(s) / Zn2+ (1,00 M) / / Ag+ (x M) / Ag(s) E0

Ag+/Ag

= 0,799 V ; E0

Zn2+/Zn =

-0,763 V.



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4. Un acero trabajado en frío posee una energía residual de 6 cal/g. Calcular el aumento en voltios que ha experimentado la tendencia a la corrosión del mismo, despreciando la variación de entropía.

5. Calcular la f.e.m.de las siguientes células: Al(s) / Al3+ (0,18 M) / / Fe2+ (0,85 M) / Fe (s) Ag(s) / Ag+ (0,34 M) / / Cl- (0,098 M) / Cl2 (0,55 atm) Mn(s) / Mn2+ (0,40 M) / / Cr3+ (0,35 M), Cr2+ (0,25 M) / Pt(s)

6. Para la pila Weston a 25 ºC, E = 1,018 V y el coeficiente de temperatura de la f.e.m. es dE/dT = -4,94 10

-5

V K-1 . Determinar FH, FS y FG para la reacción que ocurre

en dicha pila.

7. Calcular el producto de solubilidad de cloruro de plata AgCl a 25 ºC. Datos: E0 Ag+/Ag =0,799 V ; E0 AgCl/Ag = 0,223 V 8. El potencial normal del semisistema Cu2+/Cu es 0,34 V, y en disolución 0,5 M de CuSO4 es 0,296 V. Calcular el grado de disociación aparente del sulfato de cobre en esta disolución 0,5 M.

9. Para la pila Daniell, FH = 50,11 kcal a 25 ºC. Calcular la f.e.m. de esta pila a 25 ºC.

10. Un electrodo de hidrógeno, colocado en una disolución ácida a 25 ºC, posee un potencial de -0,453 V, si se coloca frente al electrodo normal de calomelanos. Calcular el pH de la disolución. Potencial del electrodo normal de calomelanos: 0,283 V. 11. Calcular la constante de equilibrio correspondiente a la reacción: Sn (s) + Pb 2+ (aq) › Sn 2+ (aq) + Pb(s) sabiendo que los potenciales normales para los semisistemas Pb2+/Pb y Sn 2+/Sn son -0,126 y -0,14 V respectivamente. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Problemas

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12. Calcular el potencial electródico del Zn sumergido en una disolución de cloruro de cinc 0,01 M.

13. Calcular el potencial electródico de un electrodo de hidrógeno en una disolución de pH=7 si la presión parcial de hidrógeno es 0,5 atm a 40 ºC.

14. La f.e.m. de una pila formada por Zn y un electrodo de hidrógeno sumergidos en una disolución de cloruro de cinc 0,5 M es 0,59 V. Calcular el pH de la disolución.

15. La suciedad de la plata es principalmente sulfuro de plata, que tiene un potencial de reducción Ag2S + 2e › 2Ag + S2- de E0 = -0,69 V. En el esquema se muestra una cuchara sucia en contacto con una placa metálica, producto disponible en el comercio. Se añade a la fuente agua hirviendo con un poco de NaHCO3 y se cubre por completo la cuchara y la placa metálica. En poco tiempo se inicia la eliminación de la suciedad de la plata. Indíquese: a) ¿Qué metal o metales hay en el producto? b) ¿Qué reacción ocurrirá durante el proceso de limpieza? c) ¿Qué misión posee el NaHCO3? 16. Calcular la tendencia a corroerse, expresada en V, del Ni en agua desaireada. Suponer que el producto de corrosión es el Ni(OH)2, cuyo Kps es 1,6 10 –16. 17. Calcular la f.e.m. de la pila: Pt/ Fe3+ (0,1 M), Fe2+ (0,001M), Ag+ (0,001M)/Ag E0 (Fe3+/ Fe2+) = 0,77 V; E0 (Ag+/ Ag) = 0,80 V.



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18. Calcular la f.e.m. de una pila de concentración formada por electrodos de Cu en CuSO4 0,1 M y 0,5 M respectivamente, despreciando el potencial de la unión líquida. Escribir la reacción global de la pila, señalando el cátodo y el ánodo.

19. Calcular la f.e.m. de la pila siguiente, a 40 ºC:

O2 (760 mm de Hg), Pt ;H20; O2 (76 mm de Hg), Pt 20. Indicar si se corroerá la plata sumergida en una disolución 0,1 M de CuCl 2. Kps del AgCl 2,8 10-10. E0 (Ag+/ Ag) = 0,80 V; E0 (Cu2+/ Cu) = 0,34 V.

21. Calcular la f.e.m. de una pila formada por electrodos de Fe y Pb en una disolución alcalina saturada de aire a pH=10. ¿Qué electrodo se corroe con la pila en cortocircuito? Suponer que se forma HPbO2- como producto de corrosión y que el hierro es pasivo. Pb + 3 OH- › HPbO2- + H2O + 2e E0 = 0,54 V E0 (Fe2+/ Fe) = -0,44 V; E0 (Pb2+/ Pb) = -0,13 V. E0 (O2/ OH-) = 0,40 V. 22. Calcular la presión de hidrógeno requerida para que se detenga la corrosión del hierro sumergido en FeCl2 0,1 M a pH=3. Repetir el cálculo parta agua desaireada si el producto de corrosión es Fe(OH)2 cuyo Kps es 1,8 10 –15. E0 (Fe2+/ Fe) = -0,44 V.

23. Un depósito de cobre que contiene ácido sulfúrico diluido con pH=0,1 se cubre con hidrógeno a la presión de 1 atm. Calcular la máxima contaminación del ácido por iones Cu2+ expresada en moles por dm3. Calcular la contaminación si la presión se reduce a 10-4 atm. E0 (Cu2+/ Cu) = 0,34 V. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Problemas

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24. Para cromar un objeto de 70 cm2 de superficie, se introduce en una disolución de sulfato de cromo (III) y se hace pasar una corriente de 2,5 A. Calcular el tiempo que deberá durar la operación para que la capa tenga un grosor de 0,2 mm. Densidad del cromo 7190 kg/m3. Masa atómica del Cr: 52,0 g/mol.

25. Calcular la fuerza electromotriz de una pila de concentración, a 25 ºC, formada por electrodos de hierro sumergidos en disoluciones de concentración 0,1 y 0,01 mol/dm3, respectivamente. E0 (Fe2+/ Fe) = -0,44 V.

26. Un marcapasos está formado por una pila cuyo ánodo es un electrodo de Zn y cuyo cátodo es un electrodo de plata-cloruro de plata. El organismo proporciona el electrolito necesario y el cloruro de plata actúa como depolarizador del cátodo de plata. Si la pila ha funcionado durante 10 meses con una potencia de 500 ow y una fuerza electromotriz de 1,25 V, calcular la intensidad de corriente que ha pasado y la cantidad de Zn corroído que ha pasado al organismo.



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CINÉTICA DE LA CORROSIÓN. PASIVACIÓN Y PROTECCIÓN CATÓDICA 1. El potencial de un electrodo de hierro polarizado como cátodo a 0,001 A/cm2 es –0,916 V frente al electrodo de calomelanos 1 M. Si el pH del electrolito es 4,0, calcular la sobretensión de H2. 2. Se sumergen en HCl desaireado de pH= 3,5 electrodos de Zn y Hg en cortocircuito, separados pero muy próximos. Calcular la corriente que atraviesa la pila si el área de cada electrodo es de 10 cm2. Calcular la velocidad de corrosión en mdd para el Zn. Potencial de corrosión del Zn frente al electrodo de calomelanos 1M –1,03 V. Para el Zn, i0 = 7 10 –13 a/cm2 ; d = 0,12.

3. El potencial de corrosión para el acero dulce en disolución desaireada de pH = 2 es de –0,64 V frente al electrodo Cu/CuSO4(sat). La sobretensión de H2 en V sigue la expresión 0,7 + 0,1 log i, con i en A/cm2. Suponiendo que prácticamente toda la superficie del acero actúa como cátodo, calcular la velocidad de corrosión en mm/año. E (Cu2+(sat)/Cu) = 0,316 V. Densidad del acero = 7,8 g/ml.

4. El potencial del Pt frente al electrodo de calomelanos saturado, polarizado catódicamente en ácido sulfúrico, desaireado a pH = 1,0 a 0,001 A/cm 2 es –0,301 V, y a 0,01 A/cm2 es –0,331 V. Calcular la densidad de corriente de intercambio para la descarga de H+ sobre Pt en esta disolución.

5. La inclinación de la polarización lineal dE/dI a bajas densidades de corriente para el Al en una disolución corrosiva es 2 mV/
6. Utilizando el diagrama de Pourbaix para el cobre, indicar si una barra de Cu sumergida en una disolución 0,01 M de CuSO4 sufrirá o no corrosión.


Problemas

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7. Calcular la velocidad de corrosión de un electrodo de Fe (I=1mA), que se oxida según el proceso: Fe › Fe3+ + 3e

8. Teniendo en cuenta el diagrama de Pourbaix para el cobre, indicar si se producirá corrosión en cada una de las siguientes circunstancias: a) E=-0,8 V y pH=4 ; b) E=-0,2 V y pH=12 ; c) E=0,4 V y pH=2; d) E= 0,0 V y pH=7

9. Suponiendo que la reacción simultánea a la corrosión de un metal es la reducción de oxígeno, indicar si un aumento del pH o de la presión parcial de oxígeno hará aumentar o no la velocidad de corrosión.

10. ¿Se corroerá el cadmio metálico en presencia de una disolución de pH=3 que posee una concentración 10-2 de Cd2+ ? ¿Será más fácil de corroer una amalgama de Cd de concentración 10-3 M de Cd metálico que una barra de Cd puro? Admitir que la presión parcial de H2 es 1 atm y E0(Cd2+/Cd) = –0,41 V. 11. El níquel experimenta corrosión en disolución ácida con desprendimiento de hidrógeno. Las velocidades de las semirreacciones de oxidación y de reducción están controladas mediante polarización por activación. Calcular la velocidad de corrosión del Ni en mol/cm2 y el potencial de corrosión con los siguientes datos:

Níquel E0 = -0,25 V

Hidrógeno E0 = 0,00 V

I0 = 10–8 A/cm2

i0 = 6 10–7 A/cm2

d = 0,12

d = -0,10



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12. Teniendo en cuenta el diagrama de Pourbaix para el Fe, derivar ecuaciones para las líneas que acotan las siguientes especies: a) Fe2+/Fe3+ b) Fe2+/Fe(OH)2 c) Fe2+ /Fe(OH)3 13. La densidad del Al es 2,7 g/ml y la del óxido de aluminio 4,0 g/ml. Describir las características de la capa de este óxido y compararlas con las del óxido de wolframio, si la densidad del W es 19,25 g/ml y la del óxido 7,3 g/ml.

14. Se han tabulado los valores de incremento de masa que ha experimentado un metal al oxidarse a elevada temperatura: W (mg/cm2)

Tiempo (min)

0,53

10

0,86

30

1,53

100

Determinar si la expresión de la velocidad de oxidación del metal obedece a una ley lineal, parabólica o logarítmica. Si la respuesta es lineal o parabólica, determinar W después de 600 min.

15. Calcular el volumen de oxígeno gas necesario para corroer 100 g de hierro a 25 º C y 1 atm de presión. 16. Un ánodo de sacrificio de magnesio de 2 kg se fija al casco de una embarcación. Si el ánodo dura tres meses, calcular la intensidad media de corrosión durante este período. Si se utiliza un bloque de magnesio recocido que disminuye la corrosión en un 25 %, ¿qué masa de dicho ánodo recocido se necesitará para proporcionar protección frente a la corrosión durante un año?


Problemas

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17. Un sujetador de latón utilizado en aplicaciones marinas es unido por soldadura de plomo-estaño. ¿Se corroerá el latón o la soldadura?

18. Un acero mantenido a 700 º C durante 3000 horas se oxida hasta una profundidad de 1,16 mm por debajo de la superficie. Si el acero se oxida según una relación parabólica de tipo: y = ( k t )1/2 siendo y el espesor y t el tiempo. Calcular: a) La constante k b) La pérdida de peso en g de un bloque de acero de 30x20x10 cm al cabo de 1 año La densidad del acero es 7,8 g/cm3.

19. Contestar brevemente a las siguientes cuestiones: a) ¿Por qué la cabeza y la punta de un clavo se corroen más deprisa que el resto? b) ¿Por qué una lámina de aluminio anodizado conectada con otra de plomo provoca la corrosión del plomo, al contrario de lo que indica la serie galvánica? c) ¿Qué efecto tendrá un aumento de la resistividad eléctrica del suelo en el grado de corrosión de una tubería enterrada?

20. De acuerdo con la serie galvánica, indíquese el ánodo de las siguientes pillas galvánicas: a) Electrodos de Cu y Ni en disoluciones de igual concentración de sus iones b) Una microestructura de fases de una aleación Pb-Sn 50-50 c) Una soldadura de plomo-estaño en una aleación de aluminio 2024 en agua de mar d) Un pasador de latón en una placa de Hastelloy C, en agua de mar



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21. El análisis de una pieza de Al muestra picaduras de corrosión de 0,1 mm de diámetro, siendo el grosor de la pieza de 1 mm. Si la picadura se ha desarrollado en un año, calcular la corriente de corrosión asociada a cada picadura y la densidad de corriente de corrosión (normalizada con el área de la picadura). Densidad del Al=2,70 g/cm3. 22. Una pieza de Al experimenta corrosión a razón de 0,06 g m-2 día

–1

. Calcular la

velocidad de corrosión en mdd y mm/año. Densidad del Al=2,70 g/cm3. 23. Una pieza de acero (t=7,87 g/cm3) experimenta una disminución de espesor de 0,15 mm/año. Expresar el resultado en mdd y g m-2 día-1.

24. En la protección catódica de una estructura de acero se emplean ánodos de Zn, que experimentan una pérdida de 8 mdd. Calcular la densidad de corriente de corrosión en A/m2.

25. Un depósito de acero posee una disolución no aireada de pH=4. El potencial de corrosión medido con relación al electrodo normal de calomelanos es –0,74 V a 25 ºC. Calcular: a) Potencial del electrodo de calomelanos, si Kps = 1,8 10-18 para el Hg2Cl2 b) El potencial de corrosión con relación al electrodo normal de hidrógeno c) Reacciones catódica y anódica d) Densidad de corriente de corrosión, si d = 0,1 V e i0 = 0,001 A/m2 e) Velocidad de corrosión en mdd y mm/año

26. Una pila seca está formada por un electrodo de grafito que actúa como cátodo, un recipiente de Zn que hace de ánodo y un electrolito (NH4Cl, ZnCl2 y MnO2 como despolarizante). Indicar las reacciones de pila. Si el recipiente de la pila es cilíndrico de D = 30 mm y h = 50 mm, hallar el espesor mínimo para que no se perfore con una corriente de 0,2 A durante 100 horas de funcionamiento.


Problemas

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27. Estudiar la posibilidad de corrosión del Cu en agua aireada y sin airear a pH=9. Producto de solubilidad del Cu(OH)2 1,62 10 –19. 28. Se ha comprobado que la velocidad de corrosión del hierro aumenta cuando sobre su superficie se deposita sulfuro de hierro (II), ya que éste actúa como cátodo frente al Fe. Si la densidad de corriente de corrosión vale 0,01 A/cm2, calcular el aumento en la velocidad de corrosión en mdd.

29. Un electrodo de Fe se sumerge en una disolución de ácido sulfúrico de concentración mol/dm3 a 25 ºC. Calcular la polarización por activación que tiene lugar durante la reducción de hidrógeno al pasar una corriente de 40 mA/cm2, sabiendo que i0 es 10-6 mA/cm2 y d = 0,1.

30. Por una tubería enterrada de acero de 76,2 mm de diámetro y 0,6 m de longitud circula una corriente vagabunda de 0,8 A. Calcular la velocidad de corrosión en mm/año.

31. Se ha determinado la curva de polarización catódica de un acero sumergido en una disolución desaireada de pH=3, resultando la recta:

j = -0,6 – 0,1 log i con i en A/cm2. Si el potencial de corrosión respecto al electrodo de calomelanos es – 0,56 V y toda la superficie del acero actúa como cátodo, calcular la velocidad de corrosión en mdd.



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32. Una corriente de 10 A entra y sale por una tubería de acero de 50,8 mm de diámetro y 6,35 mm de espesor. La resistividad del acero es 10-5 Y cm y su densidad 7800 kg/m3. La tubería conduce agua de resistividad 104 Y cm. Calcular: a) La relación de corriente conducida por el acero y el agua b) La velocidad de corrosión producida por la corriente vagabunda en la cara interior de la tubería c) La velocidad de corrosión si la tubería conduce agua de mar de resistividad 20 Y cm

33. Una pila de corrosión compuesta por Cu y Zn posee una densidad de corriente catódica de 0,05 A/cm2. Calcular la pérdida en peso de Zn por hora si: a) El área del cátodo de Cu es 100 cm2 y el área del ánodo de Zn es 1 cm2 b) El área del cátodo de Cu es 1 cm2 y el área del ánodo de Zn 100 cm2 34. Una pieza de hierro estañado de 2500 cm2 de área posee un rasguño de 0,1 cm2 de superficie. La densidad de corriente producida es de 0,002 A/cm2 en el hierro expuesto. Calcular el tiempo requerido para que se forme una picadura de 0,02 cm de profundidad en el hierro.

35. Una barra de cobre y otra de hierro se acoplan y se sumergen en el mar. La superficie total de la primera en contacto con el agua es 4 dm2 y la de la segunda 0,5 dm2. Calcular la intensidad mínima de corriente que hay que aplicar al par galvánico para evitar la corrosión de ambos metales.

36. Para determinar el espesor del recubrimiento de una hojalata, se toma una probeta cuadrada de 10 cm de lado y 39,1484 g de masa y se introduce en una disolución ácida inhibida que disuelve el Sn pero no ataca al Fe. Una vez disuelto todo el Sn, se saca y limpia la probeta y se pesa, resultando la nueva masa 38,8572 g. Sabiendo que la densidad del hierro es 7,28 g/ml, calcular el espesor del recubrimiento.


Problemas

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37. La profundidad de las picaduras en metales enterrados varía con el tiempo, de acuerdo con la ecuación: P=Ktn

siendo P la máxima profundidad en mm, t el tiempo en años y K y n constantes que dependen del tipo de suelo y del material. Para un acero se tiene K = 0,55 y n = 0,4. Calcular la máxima profundidad de picadura al cabo de cinco años y su velocidad de crecimiento al final de dicho período de tiempo. 38. Un buque que desplaza 7084 Tm tiene una superficie mojada de acero de 2712 m2. Para proteger catódicamente esta superficie, se dispone de ánodos de sacrificio de una aleación de Zn de 312 mm de longitud, 161 mm de ancho y 30 mm de grueso, de masa 10,1 kg. Calcular el número de ánodos necesarios y la vida probable de la instalación, sabiendo que la densidad de corriente de protección es 28 mA/m2, la resistividad media del agua de mar 25 Y cm y el potencial de protección 0,104 V.

39. Considérese un par galvánico Cu-Zn. Si la densidad de corriente catódica es de 0,05 A/cm2, calcular la pérdida en peso de Zn por hora si: a) El área del cátodo de Cu es 100 cm2 y el del ánodo de Zn 1 cm2 b) El área del cátodo de Cu es 1 cm2 y el del ánodo de Zn 100 cm2 40. Se hace un rasguño de 1cm2 sobre el recubrimiento de Sn de una lámina de Fe de 500 cm2 de superficie. Se produce una densidad de corriente de 0,008 A/cm2. Calcular: a) Corriente de corrosión b) Pérdida de Fe al cabo de una hora c) Profundidad de corrosión suponiendo que es uniforme


Prácticas

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Prácticas PRÁCTICA Nº 1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES SOBRE CORROSIÓN.

I. Introducción La corrosión es un proceso electroquímico que implica la formación de una célula galvánica. En ella tiene lugar, en el cátodo el proceso de reducción y en el ánodo el de oxidación. La capacidad de un metal o, en el caso más general, de cualquier sistema, de actuar como cátodo o como ánodo en una célula galvánica se puede establecer sugún su potencial electródico normal o estándar de reducción. Cualquier semicélula cuyo potencial electródico sea superior al de otra dada oxidará a esta última. Esta primera aproximación se puede completar con la serie galvánica, que amplia la serie electroquímica a otros materiales como aceros y aleaciones.

II. Material y reactivos

Barras de los siguientes metales: Cu, Zn, Al, Fe, Sn, Pb y Mg, aceros. Disolución de HCl 1M. Disoluciones 0,1 M de CuSO4, ZnSO4, FeSO4, SnCl2, MgSO4, Al2(SO4)3,, NaCl. Vasos de precipitados de 100 ml. Tubo en U. Multímetro digital.

III. Procedimiento operativo

a) Ensayos preliminares Tómese una barra de Fe y sumérjase en una disolución de sulfato de cobre (II). Anótense los cambios que acontecen transcurridos unos minutos. Escríbanse los procesos redox que tienen lugar. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


132

Repítase la experiencia con una barra de Zn sumergida en una disolución de HCl diluido. Obsérvense los cambios y escríbanse las reacciones de oxidación y reducción correspondientes. Repítase la experiencia con Cu. Repítase la experiencia con una barra de Cu sumergida en una disolución de nitrato de plata. Anótense las observaciones y las reacciones implicadas. b) Velocidad de corrosión. Polarización Sumérjanse en una disolución de NaCl dos barras metálicas, una de Zn y la otra de Al. Conéctense los terminales a un multímetro digital y anótese la diferencia de potencial y la intensidad de corriente. Repítase la prueba con dos barras de Zn y Cu. ¿En cuál de los dos casos es mayor la velocidad de corrosión del metal que actúa como ánodo? Razonar la respuesta.

Conéctese nuevamente la célula de Cu y Zn al multímetro y obsérvese la variación de la lectura del mismo al cabo de unos minutos. Explique los resultados en términos del fenómeno de la polarización.

Constrúyanse dos pilas de Zn y Cu que se diferencien en el tamaño del cátodo. Mídase la intensidad de corriente en cada caso y explíquese la diferencia.

Constrúyase una pila de concentración con dos electrodos de Cu sumergidos en sendas disoluciones de CuSO4 de distintas concentraciones, por ejemplo 1M y 0,1 M. Mídase la f.e.m. de la célula y anótese la reacción global de la pila.

c) Construcción de la escala electroquímica de potenciales electródicos Introducir cada uno de los metales en una disolución de HCl 1M observando si al cabo de unos minutos tiene lugar algún cambio en la superficie de los mismos. Anotar los resultados en la Tabla I. Realizar la misma operación para disoluciones de sulfato de cobre (II), sulfato de zinc, sulfato de hierro (II), cloruro de estaño (II), sulfato de magnesio, y sulfato de alumnio. Anotar los resultados en la Tabla I. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Prácticas

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Construir una escala electroquímica para los metales anteriores teniendo en cuenta que los de menor potencial electroquímico serán los que se oxidan más facilmente (corrosión).

d) Pila Daniell Las reacciones redox pueden utilizarse para construir una pila si se aprovecha el flujo de electrones que tiene lugar en las reacciones de oxidación y de reducción de cada semipila. Así, si un metal M se oxida con facilidad y simultáneamente una disolución de otro metal más noble se reduce a partir de la disolución Nn+, se tendrá: M ›Mn+ + ne- (ánodo) Nn+ + ne- › N (cátodo) Si las disoluciones donde tienen lugar estas semirreaciones se ponen en contacto a través de un puente salino, se tiene una pila cuya f.e.m. es la diferencia entre los potenciales de los semielementos catódico y anódico: f.e.m. = E = E(+) – E(-) Cuando las disoluciones empleadas son 1 M, tanto los potenciales electródicos como la f.e.m. son las que coresponden a las condiciones estándar (Eo). Utilizando disoluciones 1M de ZnSO4 y CuSO4 y las barras de Zn y Cu, construir una pila Daniell. Medir su f.e.m. con ayuda del multímetro digital y anotar el resultado. Indicar las reacciones de cátodo, ánodo y la reacción global de la pila. El puente salino se construye introduciendo en él una disolución de cloruro potásico o nitrato amónico.

IV. Resultados y cuestiones 1. Escribir las reacciones que tienen lugar en los ensayos realizados en el apartado a)



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2. Indíquese, de acuerdo con los resultados del apartado b), de qué factores depende la velocidad de corrosión.

3. Explíquese con ayuda de una gráfica qué es la polarización.

4. Escríbanse las reacciones catódica, anódica y global para la pila de concentración del apartado b).

5. Explíquese qué es la pasivación de un metal. Enumérense algunos metales que se pasiven con facilidad. En los aceros inoxidables, ¿de qué depende su pasividad?

6. Complétese la siguiente tabla e indíquese en qué casos se produce reacción.


Prácticas

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TABLA I HCl

MgSO4

ZnSO4

SnCl2

Al2(SO4)3

CuSO4

Zn Pb Sn Fe Cu Mg Al

7. De acuerdo con los resultados de la tabla anterior, construir la escala electroquímica de mayor a menor poder oxidante.

8. Escribir las reacciones que tienen lugar en los electrodos de la pila Daniell, señalando cátodo, ánodo y reacción global.

9. Indicar con qué otros sistemas de los que has utilizado en esta práctica se podría construir una pila. De acuerdo con los potenciales estándar, calcular su f.e.m.



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PRÁCTICA Nº 2. INHIBICIÓN DE LA CORROSIÓN

I. Introducción

La utilización de inhibidores de la corrosión es una de las medidas adoptadas con frecuencia para el control y prevención de la corrosión en estructuras metálicas y otros componentes empleados en servicio. El uso de una sustancia química como inhibidor catódico o anódico depende del modo de acción del inhibidor respecto a los cambios en el potencial de corrosión, o a los procesos que ocurren en la interfase metal/agente corrosivo. Los inhibidores se suelen clasificar en inorgánicos y orgánicos, dependiendo de su naturaleza química. Aunque el mecanismo de actuación de los mismos no está bien determinado, se sabe que la inhibición efectiva por parte de estos agentes químicos depende de la interacción metal-inhibidor y del bloqueo de la superficie del metal por acción del inhibidor frente al agente corrosivo, formando una capa protectora que actúa como película pasivante. En otras ocasiones, sin embargo, el inhibidor puede reaccionar con el agente oxidante, impidiendo su acción corrosiva (por ejemplo la acción del O2).

II. Material y reactivos

Disolución de NaOH 0,5 M, borax y láminas de aluminio. Balanza y cronómetro.


Se evaluará el porcentaje de inhibición del Al en disoluciones de borax de distintas concentraciones. Como agente corrosivo se utilizará una disolución alcalina de NaOH en concentración aproximadamente 0,5 M.


Prácticas

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En tres vasos de precipitados de 100 ml que contengan volúmenes idénticos de disolución de NaOH 0,5 M se añaden 1, 2 y 4 g de borax. En cada una de ellas se introducirá una barra de Al previamente pesada y de la que se ha calculado la superficie. También se introducirá una barra en otra disolución que no contiene inhibidor.

Al cabo de una hora se extraerán de las disoluciones y se pesarán. El mismo procedimiento se llevará a cabo para una disolución sin inhibidor que contenga otra muestra de Al.

El tanto por ciento de inhibición se calcula mediante la ecuación:

I = (1- Win / W0) 100 Siendo Win y W0 las pérdidas de peso en disoluciones con inhibidor y sin inhibidor. Represéntese gráficamente el tanto por ciento de inhibición frente al logaritmo de la concentración de inhibidor y coméntese la diferencia entre ambos inhibidores.



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PRÁCTICA Nº 3 PROPIEDADES REOLÓGICAS DE LAS PINTURAS VISCOSIMETRÍA ROTACIONAL I. Introducción Los materiales plásticos se caracterizan por presentar un comportamiento no newtoniano a elevadas velocidades de deformación y/o altos esfuerzos de cizalla. Las pinturas, en cuya formulación existen ligantes de naturaleza polimérica, además de pigmentos y otros aditivos, se pueden incluir dentro de este comportamiento. La viscosidad adecuada de las mismas determina en gran medida su poder cubriente y las propiedades físicas de la película obtenida una vez aplicada al sustrato.

La medida de la viscosidad se puede llevar a cabo utilizando diferentes dispositivos experimentales, entre los que destacan los siguientes:

i) Reómetro capilar: se aplica una presión P al fluido situado en un reservorio, forzándolo a pasar a través de un tubo capilar de radio R y longitud L. Se mide la cantidad de material que atraviesa el capilar en la unidad de tiempo para diferentes valores de la presión aplicada P.

ii) Viscosímetros rotacionales: aunque existen diferentes modificaciones (de cilindros coaxiales, de cono y placa y de placas paralelas), todos ellos funcionan bajo el mismo principio. Éste se basa en la aplicación de un par de fuerzas o momento angular mediante un movimiento de rotación a una velocidad angular o frecuencia constante. En determinadas circunstancias se puede evaluar tanto el esfuerzo de cizalla como la velocidad de deformación y la viscosidad.

II. Descripción del viscosímetro ST DIGIT R

Este instrumento pertenece a la gama de los viscosímetros rotacionales tipo Brookfield, y tiene unas prestaciones muy similares. © Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.

Prácticas

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El aparato dispone de una gama de seis husillos numerados de R1 a R7 que pueden operar a diecinueve velocidades distintas, desde 0,3 hasta 200 rpm. Según el rango de viscosidades, debe seleccionarse tanto el husillo como la velocidad adecuados.

El instrumento, una vez encendido, procede a un autotest para comprobar su buen fucionamiento en todo el rango de velocidades. Una vez realizado el autotest, se pueden introducir los parámetros (husillo y velocidad) con los que se desea trabajar.


a) Ensayos a distinta velocidad de cizalla Se realizarán ensayos con pinturas de distinta formulación urilizando distintas velocidades angulares, cambiando de husillo si es necesario. Se anotarán los valores de la viscosidad en función de y, representándose gráficamente el resultado.

b) Ensayos en función del tiempo Se determinará la variación de la viscosidad en función del tiempo para al menos tres clases de pinturas distintas, representándose gráficamente los resultados.

c) Ensayos a temperatura variable Esta experiencia se puede llevar a cabo con aceite lubricante sintético, cuya base es polimérica, o con una disolución de polialcohol vinílico. Se coloca el sistema a 70 ºC en la estufa y una vez alcanzado el equilibrio se saca y se mide la viscosidad a intervalos de 5 ºC. Se anotan los resultados. IV. Resultados y cuestiones 1. En los ensayos a velocidad angular variable, indicar si el comportamiento es newtoniano, pseudoplástico o dilatante, justificando la contestación. Calcular n en cada caso utilizando la ley de las potencias.



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2. En los ensayos en función del tiempo, explicar si el material presenta tixotropía o reopexia, razonando la respuesta.

3. A partir de los resultados de viscosidad a distintas temperaturas, calcular la energía de activación suponiendo aplicable la ecuación de Andrade (Arrhenius).


Prácticas

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PRÁCTICA Nº 4. CONSTRUCCIÓN DE DIAGRAMAS DE POURBAIX I. Introducción Los diagramas de Pourbaix muestran gráficamente la dependencia del potencial electródico de un semisistema o una semicélula en función del pH del medio. De esta forma, lo que se puede evaluar realmente es la posibilidad, desde el punto de vista termodinámico, de que tenga lugar una determinada semirreacción para la semipila Mn+/M, y por consiguiente, de que el metal experimente corrosión en unas condiciones determinadas de potencial y pH. En el diagrama se pueden distinguir las zonas siguientes: a) Inmunidad: la forma M es estable termodinámicamente, y por tanto el metal no se corroe en las condiciones de potencial y pH correspondientes. b) Corrosión: es estable alguna de las formas iónicas simples o combinadas del metal, y por lo tanto el metal se corroe. c) Pasividad: algún óxido de características protectoras o pasivantes es estable en las condiciones de potencial y pH dados. El metal se encuentra en estado pasivo.

II. Construcción del diagrama de Pourbaix para el Cu

En el caso general de una reacción electroquímica del tipo: aA + c H2O + ne » bB + mH+

el potencial electródico varía de acuerdo a la ecuación: E = E0 + (0,059/n) pH + (0,059/n) log [A]a/[B]b

Para la reacción química en la que n = 0, se cumple: log [A]a/[B]b = log K + m pH



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Para el cobre, las especies presentes y las reacciones que pueden tener lugar son:

Reacciones químicas: Cu2+ + 2H2O » CuO2H- + 3H+ K= 2,39 10-28 CuO2H- » CuO2 2- + H+ K= 7,08 10-14

Reacciones electroquímicas: Cu2+ + 1e » Cu+

E0 = 0,153 V

Cu+ + 1e » Cu

E0 = 0,520 V

CuO2H- +3H+ + 1e » Cu+ + 2H2O

E0 = 1,733 V

CuO2 2- + 4H+ + 1e » Cu+ + 2H2O

E0 = 2,510 V

CuO2 - + 4H+ + 1e » Cu2+ + 2H2O

E0 = 3,078 V

CuO2 - + H+ + 1e » CuO2H-

E0 = 1,498 V

CuO2 - + 1e » CuO2 2-

E0 = 0,720 V

Con esta información, constrúyase el diagrama de Pourbaix para el Cu.


Prácticas

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III. Cuestiones

1. Indíquense las especies estables en las siguientes condiciones: E=0, pH=2; E=0,8, pH=7, E= -0,4, pH=12.

2. De acuerdo con el diagrama, cuál es el potencial electródico mínimo para que comience la corrosión del Cu metal a pH=6. Indicar dos procedimientos distintos capaces de provocar esta corrosión.

3. Coméntese por qué el Cu no es atacado por una disolución de HCl 1M, mientras que sí lo es por una disolución de HNO3 1M. Indíquense las reacciones que tienen lugar en cada caso.

4. Indíquese si se producirá corrosión del Cu en las siguientes condiciones: pH=4 y potencial 0; pH=12 y potencial 0.



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PRÁCTICA Nº 5. ELECTRODEPOSICIÓN DE METALES

I. Introducción

Los procedimientos utilizados para la obtención de un recubrimiento metálico son muy variados, y se pueden destacar los siguientes: a) Electrodeposición: todos los metales se pueden depositar a partir de un electrolito, y se puede realizar en continuo o discontinuo. Ejemplos son la obtención de hojalata, cromados, refino electrolítico del cobre, etc. b) Depósito químico: consiste en una reducción acuosa en la que el metal se deposita bajo una acción catalítica. Este método se aplica principalmente al níquel. c) Inmersión en caliente: se deposita el metal en estado líquido. Los espesores obtenidos son gruesos (>0,01 mm) y se aplica a metales de bajo punto de fusión, como Sn, Pb, Zn y Al. d) Otros: Chapeado, electroforesis, descomposición gaseosa, reducción de óxidos, cementación, etc.

II. Objetivo de la práctica

La electrodeposición de cobre se puede realizar de distintas maneras, según las características del recubrimiento que se desee obtener. Los baños más utilizados son:

i) Baño ácido de ácido sulfúrico: el electrolito es CuSO4 y el recubrimiento de cobre que se obtiene suele ser algo poroso por la corrosión del metal base, generalmente hierro o acero. ii) Baño cianurado: el electrolito es carbonato básico de cobre y el cobre se acompleja con los iones cianuro. El depósito es mucho más adherente.

En esta práctica se efectuará la deposición de cobre sobre hierro en medio ácido y se evaluará el rendimiento del proceso catódico.


Prácticas

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III. Materiales y productos

Materiales: fuente de corriente continua, vaso de precipitados, balanza de precisión y cronómetro. Productos: sulfato de cobre, ácido sulfúrico, cobre y hierro en forma de plancha.

IV. Procedimiento operativo

Se preparan 250 mL de disolución que sea 1 M en sulfato de cobre (II) y 0,75 M en ácido sulfúrico. Se pesa la chapa de hierro y a continuación se introducen en la disolución las chapas de cobre y hierro, conectando esta última al cátodo de la fuente de corriente continua. La diferencia de potencial no debe superar los 6 V y la intensidad de corriente estará en torno a los 2 A. Una vez iniciado el proceso, se pondrá el cronómetro a cero y se tendrá funcionando el dispositivo experimental durante al menos media hora.

Acabada la electrodeposición, se secará la chapa de hierro en la estufa para eliminar el elctrolito sobrenadante y se pesará en la balanza.

V. Resultados y cuestiones

1. Escríbanse las reacciones catódica y anódica para el proceso electrolítico.

2. Calcúlese el rendimiento del proceso catódico, teniendo en cuenta la ganancia de peso de la barra de hierro y el aumento teórico de acuerdo con las leyes de Faraday.

3. ¿Se observa algún desprendimiento gaseoso durante el cobreado? Si es así, explicar el origen del mismo.



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4. Indicar el fundamento y las reacciones que ocurren durante el refino electrolítico del cobre a escala industrial.

5. La utilización de baños cianurados conduce a depósitos de cobre sobre hierro de gran adherencia y calidad. Explica por qué ocurre esto teniendo en cuenta la concentración de iones Cu2+ presente en el electrolito.

6. El anodizado es un proceso electrolítico en el que el aluminio se recubre de una capa resistente a la corrosión. Indicar la naturaleza química de esta capa, así como la reacción electroquímica que tiene lugar durante dicho proceso.


Prácticas

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PRÁCTICA Nº 6. ESTADO DE CARGA DE UN ACUMULADOR DE PLOMO

I. Introducción

A pesar del gran desarrollo experimentado durante los últimos años por otros sistemas de almacenamiento de electricidad, el acumulador de plomo sigue siendo el más común de todos ellos. Aunque su principio de funcionamiento no ha cambiado, las mejoras técnicas lo hacen muy distinto al sistema inicial de Planté en 1859. Básicamente consiste en dos electrodos, uno de Pb y el otro de PbO2 sumergidos en una disolución de ácido sulfúrico: Aunque las reacciones no están definitivamente aclaradas, cuando funciona como pila los procesos son: PbO2 + SO4 2- + 4H+ + 2e [ PbSO4 + 2 H2O cátodo Pb + SO4 2- [ PbSO4 + 2e

ánodo

PbO2 + Pb + 2 H2 SO4 [ 2PbSO4 + 2 H2O reacción global

Como se observa en la reacción anterior, durante la descarga disminuye la concentración de ácido sulfúrico en el electrolito, por lo que una medida de la densidad del mismo se puede utilizar para estimar el estado de carga del acumulador. Cuando la batería se conecta a una fuente externa (alternador), tiene lugar el proceso de carga, regenerándose el plomo y dióxido de plomo a partir del sulfato de plomo depositado, con una reacción global inversa a la anterior.

La sulfatación consiste en la cristalización del sulfato de plomo soluble en forma de cristales gruesos, que no pueden tomar parte en la recarga del acumulador.



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II. Materiales y procedimiento operativo

Se medirá el estado de carga de dos baterías de dos maneras distintas: leyendo la diferencia de potencial existente entre sus bornes directamente con un multímetro y evaluando la densidad del electrolito con ayuda del picnómetro.

Para medir la densidad del electrolito, debe tararse primero el picnómetro vacío y perfectamente seco. Si el picnómetro no está calibrado, debe calibrarse previamente con agua destilada, tomando el dato de la densidad del agua a la temperatura del laboratorio. Una vez tarado, se introducirá el electrolito con sumo cuidado (contiene ácido sulfúrico que es fuertemente corrosivo), y se volverá a pesar. El cociente entre la masa y el volumen nos dará directamente la densidad. Existe una ecuación que relaciona la densidad y la f.e.m. de un vaso de la batería (ecuación de Mantell):

E = 0,84 + F

Siendo F la densidad del electrolito y E la f.e.m. de uno de los compartimentos. Un acumulador contiene seis vasos o compartimentos dispuestos en serie. Compárese el valor de la f.e.m. experimental con la calculada según la ecuación anterior y determínese la desviación media. El tanto por ciento de carga del acumulador se puede obtener a partir de la densidad como: % = [ 1 – (Fc -F)/(Fc - Fd )] 100

donde los subíndices c y d hacen referencia a la batería totalmente cargada y totalmente descargada. En este sentido, se considera la batería totalmente cargada cuando la densidad del electrolito es 1,270 g/mL, y totalmente descargada cuando es 1,120 g/mL.


Prácticas

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III. Resultados y cuestiones

1. Completar la siguiente tabla:

Batería nº

(g/mL) Ecalc (V)

Eexp (V)

(Ecalc - Eexp)/(Ecalc)

1 2

2. Represéntese gráficamente la ecuación de Mantell e introdúzcanse en la gráfica los valores experimentales encontrados en esta práctica.

3. Con ayuda de las ecuaciones que se han comentado en el guión, trátese de obtener una expresión que permita calcular el % de carga a partir de la f.e.m. de la batería. Coméntense las limitaciones.

4. ¿Por qué en todas las baterías debe añadirse agua de vez en cuando? ¿Por qué es peligroso acercarse con fuego a una batería? Indíquense las reacciones electroquímicas implicadas.

5. El acumulador de níquel-cadmio funciona sugún la reacción:

2 Ni (OH)3 + Cd » 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2

Siendo la reacción hacia la derecha de descarga y hacia la izquierda de carga. Señálense los procesos catódico y anódico. ¿Será posible en este caso evaluar el tanto por ciento de carga por medidas de densidad? ¿Por qué?



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Potenciales electródicos de los electrodos de calomelanos

Símbolo del electrodo

Hg/Hg2Cl2/ Cl-

Reacción electródica

Hg2Cl2 (s) + 2e › 2Hg (l) + 2Cl- (aq)

Ecuación de Nernst

E = E0 –0,05916 log [Cl-] a 25 ºC

Saturado

E = 0,2415 – 7,6 10-4 (t-25)

Disolución saturada KCl

Normal

E = 0,2800 – 2,4 10-4 (t-25)

Disolución 1 M de KCl

Decinormal

E = 0,3338 – 0,7 10-4 (t-25)

Disolución 0,1 M de KCl


Anexo

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Anexo



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Anexo

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Diseño de Equipos e Instalaciones- Luis Bilurbina Alter & Jose Ignacio Iribarren Laco

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