CORROSIÓN Y SU CONTROL
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN
ANYELO A. MARTINE COLMENARES ASTRID N. PICO CRISTANCHO UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER (UIS)
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN CORROSIÓN Y SU CONTROL
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN Astrid Nayibe Pico Cristanchos, Anyelo Alexander Marines Colmenares Escuela de Ingeniería Química; Universidad Industrial de Santander
RESUMEN
Se define corrosión como el deterioro de un material previamente atacado electroquímicamente por el medio que lo rodea. Si la corrosión es originada por una reacción electroquímica de denomina oxidación, la velocidad de corrosión de dicho material depende de alguna manera de la temperatura del medio, de la salinidad del fluido en contacto con el material y de las propiedades de los metales a estudiar.
Para poder determinar la velocidad de corrosión de los materiales se emplean una serie de métodos, entre los cuales estudiamos en esta practica el gravimétrico donde podemos obtener el valor de la velocidad de corrosión exponiendo el material (cupones de prueba) a un ataque de solución salina de NaCl al 3 % y una solución acida de HCl durante un periodo de tiempo de 7 dias según la prueba, sin embargo se dejo expuesto el material a 15 días en dichas soluciones obteniéndose una perdida de masa (mdd) en los cupones.
El otro método que se estudio es el electroquímico, donde disponemos una celda galvánica y dejando en contacto con el medio agresivo una solución salina de NaCl al 3 % y una solución acida de HCl , con este método se determina la velocidad de corrosión midiendo la magnitud de la intensidad de corriente eléctrica del proceso.
OBEJTIVOS:
Calcular la velocidad de corrosión de una pieza metalica a través de los dos métodos propuestos ( gravimétrico y electroquímico) Identificar las diferentes reacciones que se presentan en los cupones utilizados y en las soluciones de NaCl y HCl. Observar y reconocer las diferencias al aplicar los dos métodos entre las piezas utilizadas para dichas pruebas con la solución respectiva. Estudiar los patrones de limpieza de los cupones.
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN CORROSIÓN Y SU CONTROL Introducción A nivel industrial la corrosión ha venido siendo la principal perdida a la hora de implementar mejoras de sus equipos , es necesario hacer estudios de las instalaciones y los materiales empleados, debido a la presencia de medios agresivos como la atmosfera que provoca la oxidación de las partes metálicas generando la perdida parcial o total del equipo.
Una manera de poder manipular los materias es por medio del estudio de su velocidad de corrosión este dato lo podemos obtener de varios métodos sin embargo en esta practica analizaremos dos métodos el gravimétrico y electroquímica. Esta corrosión viene dada por la corriente, sin embargo nos referimos a las unidades de masa por unidad de área por unidad de tiempo.
El método electroquímico consiste en la cinética y la mecánica de la reacción anódica (disolución del metal) y la reacción catódica (reducción de oxigeno o evolución de hidrogeno. El otro método analizado es el gravimétrico, donde determinamos la perdida de peso del cada material expuesto en contacto con un medio corrosivo. Las unidades más frecuentes utilizadas para la velocidad de corrosión son: miligramos decímetros cuadrado día (mdd),
milímetros por año (mm/año),
pulgadas por año o milipulgadas por año (mpy). MARCO TEORICO Método gravimétrico Para determinar la velocidad de corrosión por este método hay que someter al material en estudio a un ataque del agente corrosivo durante un periodo de tiempo bastante largo. Una vez finalizado el ataque se determina el cambio de peso que el material experimenta con el fin de obtener la velocidad de corrosión en m.d.d. es decir miligramos de material perdido por día transcurrido y dm2 de área de material expuesta.
Método electroquímico En la corrosión electroquímica los átomos del metal son oxidados dejando la red del metal como iones, creando un exceso de electrones en la superficie del metal. Estos electrones pueden ser transferidos a una especie activa en el electrolito produciéndose la reacción de reducción. La reacción de corrosión se conoce como reacción anódica y las áreas del electrodo donde ocurre se les llama ánodos. La electro neutralidad de la materia exige que en otros puntos, conocidos por cátodos, se reduzca alguna sustancia del medio ambiente en contacto con el material metálico. Las áreas donde ocurre la reacción catódica (de reducción) se denominan cátodos. En el caso del acero, la reacción anódica que tiene lugar es: Fe ® Fe2+ + 2e-
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN CORROSIÓN Y SU CONTROL Consecuentemente, una reacción catódica tiene que tener lugar para iniciar y mantener la corrosión metálica. Un ejemplo de reacción catódica es la reducción de protones.
Para ello se utilizan ecuaciones como:
Donde: mpy: Milésimas de pulgada de penetración por año W: Perdida de peso en mg D: Densidad del metal (7.87gr/cm3) A: Area del electrodo de hierro T: Tiempo total de exposición en horas
2H+ + 2e- ® H2 La reacción de corrosión total será la suma de ambas reacciones. Fe + 2H+ ® Fe2+ + H2 Tanto la reacción anódica como catódica dan lugar a corrientes llamadas anódica y catódica respectivamente y la corriente total suma de ambos procesos es proporcional a la velocidad de corrosión.
NORMA ASTM – G1-90 Norma Práctica para la Elaboración, limpieza y evaluación de muestras de prueba de corrosión.
CALCULO DE LA VELOCIDAD DE CORROSION
MÉTODO GRAVIMÉTRICO Para determinar la velocidad de corrosión por este método hay que someter al material en estudio a un ataque del agente corrosivo durante un periodo de tiempo bastante largo. Una vez finalizado el ataque se determina el cambio de peso que el material experimenta con el fin de obtener la velocidad de corrosión en m.d.d. es decir miligramos de material perdido por día transcurrido y dm2 de área de material expuesto.
Donde: m.d.d: mg por dm2 por dia W: Pérdida de peso en mg A: Area del electrodo de hierro en dm2 T: Tiempo en días o en fracción de días
METODO ELECTROQUIMICO La corrosión electroquímica sucede gracias a la formación y movimiento de partículas con carga eléctrica. A los procesos parciales anódicos y catódicos les corresponde una intensidad proporcional a la velocidad del fenómeno, por lo que se puede determinar la velocidad de corrosión midiendo la magnitud de corriente eléctrica en el proceso, para ello, recordaremos: Ánodo: Polo positivo en un par galvánico. Es el que se corroe Cátodo: Polo negativo en un par galvánico. Es el que protege Intensidad de Corrosión: Velocidad de corrosión o de electro posición: La cantidad de metal eliminado por corrosión o
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN CORROSIÓN Y SU CONTROL depositado sobre el cátodo en el electro deposito, puede determinarse por la ecuación de Faraday:
a circuito abierto. La ecuación de B-V para sobre potenciales altos supone el despreciar una corriente frente a otra obteniendo: Si el h³ 120 mV
-
-
W: Peso depositado o corroído (g) I: Intensidad de la corriente (A). Con frecuencia la corriente se expresa como densidad de corriente M: Masa atómica del metal t: Tiempo de duración del proceso (s) F: Constante de Faraday (96500 C) n: Valencia del ion metálico
Otra ecuación muy utilizada para determinar la velocidad de corrosión por el método electroquímico aproximado es:
Donde: m.d.d: mg por decímetro cuadrado por día K: equivalente electroquímico del electrodo de hierro I: Coulombs totales A: Área del electrodo de hierro en dm2 T: Tiempo en días o en fracción de días Otros métodos, utilizados para el calculo de la velocidad de corrosión son:
METODO DE LAS PENDIENTES DE TAFEL Este método emplea potenciales superiores a +120 y –120 mV del potencial
Si el h£ - 120 mV
Conocidas como expresiones de Tafel.
Despejando n = f (logit)
Si se representa n = f (logit), se obtiene una línea recta de pendiente
, Llamada pendiente de Tafel, en este caso será la pendiente de Tafel anódica. Del mismo modo desarrollando la expresión para h£ -120mV, es decir la rama catódica obtendremos:
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN CORROSIÓN Y SU CONTROL utilizar márgenes de potencial pequeños es un método no destructivo. La representación que se obtiene en este método se puede observar en la figura. Si representamos h frente a log i se obtiene una representación como indica la figura. Las pendientes de Tafel tienen unidades de volt/década esta figura también ilustra como calcular la pendiente catódica.
La corriente de corrosión se puede obtener directamente de las gráficas de Tafel por intersección de ambas ramas como se observa en la figura.
MATERIALES Y EQUIPOS Laminas de hierro 1200 ml de Acido Clorhídrico al 10% 1200 ml de solución de NaCl al 3% Miliamperímetro de baja resistencia interna Electrodo de hierro de 1 cm2
METODOLOGÍA
Conocida la icorr se puede calcular la velocidad de corrosión en m.d.d. usando para la conversión las leyes de Faraday.
METODO LINEAL
DE
POLARIZACION
El método de polarización lineal se basa en medidas de corriente en un margen de potencial estrecho entre +20 y –20 mV con respecto al potencial a circuito abierto. Al
La práctica fue desarrollada en dos partes: Primero se llevó a cabo el montaje para desarrollar el método electroquímico; para éste se prepararon dos soluciones: la primera solución compuesta por 1200 mL de agua destilada, a la cual se le agregó 120 mL de HCl y la segunda solución de NaCl en la cual se tuvo que pesar 36 g de sal y agregar 1200 mL de agua destilada y agitar. Una vez preparadas las soluciones se continuó a montar las respectivas celdas compuestas por la solución (una de HCl al 10% y la otra de agua salina NaCl al 3%),
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN CORROSIÓN Y SU CONTROL dos electrodos; uno de Fe con una area de 1 cm
2
usado como electrodo de trabajo y
el otro de Platino usado como electrodo de referencia.
Al tener listo el montaje de las celdas, se conecto primero la celda con solución salina (NaCl) al 3% a un miliamperímetro y se registraron las lecturas durante 40 min de la corriente en microamperios con intervalos de 2 min, al mismo tiempo otr grupo iban registrando los microamperios para la solución acida. Para la segunda parte de la práctica se desarrollo el método gravimétrico donde se utilizaron las mismas soluciones pero con dos tipos de cupones un acero R268 para el acido y el otro cupón de Ref: OB13 para la sal, estos cupones se lijaron previamente para poder exponer todas sus caras en la solución indicada y se
tomaron las medidas con sus respectivos pesos. Se sujetan los cupones con alambre aislado para que no dañe la muestra, este alambre es amarrado a una barra de madera que usaremos como soporte, se deja suspendido completamente el cupón en cada solución acida y salina por ultimo dejamos las probetas en la cámara para dejarlas por los 15 días. Cada probeta fue marcada con su respectivo peso, medidas, hora y clase de solución. Para el quinceavo día volvimos al laboratorio a observar las probetas, cada uno tenia un color característico, sacamos cada cupón para el caso del que estaba disuelto en el acido este había corroído completamente los huecos de donde se anudo así y se había caído, así que nos toco acudir a la utilización de unas pinzas para poder limpiar dicho cupón, el cupón disuelto en la solución salina estaba recubierto con una fina capa amarillanaranja fue mas fácil de sacar y limpiar.
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN CORROSIÓN Y SU CONTROL Para la limpieza de las piezas se nos hablo de la norma ASTM- G1-90 , patrón que
debemos seguir por protección. Al tener las piezas limpias nuevamente se pesaron y se tomaron las medidas necesarias, observamos los cambios que estos presentaban expuestos a las dos soluciones y los productos de corrosión formados en cada uno de ellos.
RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS METODOS ELECTROQUIMICOS Se preparó una celda con una solución de ácido clorhídrico al 10%, donde se midió 20ml de ácido y se completo el volumen con aproximadamente 200ml de agua destilada y dos electrodos, uno de Fe limpio y desengrasado y otro de alambre de Pt, estando éstos unidos a un amperímetro donde se calcularon lecturas durante 40 minutos de la cantidad de corriente en microamperios (μA) con intervalos de 2 minutos. De igual forma se preparo una celda pero con NaCl al 3% (15 gr de sal por cada 500 ml de agua destilada) El electrodo esta compuesta por una moneda de acero de 1 cm2, además de una resina especial Medición de la velocidad de corrosión en una solución de Acido Clorhídrico al 10% por método electroquímico Tabla tiempo 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
HCl (µA) HCl (A) 231 0,000231 228,4 0,0002284 225,9 0,0002259 224,3 0,0002243 223,8 0,0002238 223,7 0,0002237 221,5 0,0002215 220,2 0,0002202 219,4 0,0002194 218,7 0,0002187 218,4 0,0002184 216,9 0,0002169 216,7 0,0002167 215,6 0,0002156 215,5 0,0002155
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN CORROSIÓN Y SU CONTROL 30 32 34 36 38 40
225,3 224,5 224,1 222,9 222,6 221,8
0,0002253 0,0002245 0,0002241 0,0002229 0,0002226 0,0002218
1.2
Reacción anódica: Fe Fe+2 + 2e
-0.04
Reacción total: Pt+2 + Fe
Grafica
Pt+ Fe+2
Como el Hierro actúa como ánodo y se oxida, entonces el potencial del electrodo será +0.04 y se suma con el del platino que es 1.2.
0,00023
HCl (A)
Reacción catódica: Pt Pt+2 + 2e
0,000224
Ecelda=1.2+0.04=1.24 voltios HCl (A)
0,000218
Para hallar la velocidad de corrosión se utiliza la siguiente ecuación: 0,000212 0
20
40
Tiempo (min)
Cuando se sumergen dos materiales diferentes en una solución corrosiva o conductora, se establece un potencial eléctrico entre los dos, una corriente de electrones fluye y causa una corrosión en el ánodo. La fuerza activarte para la corriente eléctrica y para la corrosión, es la diferencia de potencial eléctrico entre los metales. Según el potencial de reducción, el Platino actúa como cátodo ya que es más pasivo que el Hierro. Los dos electrodos se encuentran en una misma concentración se puede sacar el potencial de la celda sumando el potencial del cátodo y el ánodo. Considerando las reacciones parciales se tiene:
K=Neq=n/a=2/55.85=0.0358 A=0.01dm2 T=1/15 días I= Área bajo la curva de I Vs. t, en coulombs. Siendo I en Amperios y t en segundos. Como no tenemos la función se utiliza el método de de Simpson:
Donde h=(b-a)/n n= # de particiones, en nuestro caso 20. Coulombs totales= 1.23088
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN CORROSIÓN Y SU CONTROL
Medición de la velocidad de corrosión en una solución de Nacl al 3% por método electroquímico Tabla tiempo 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
NaCl (µA) NaCl (A) 35,2 0,0000352 37,6 0,0000376 35,4 0,0000354 38 0,000038 35,7 0,0000357 36,7 0,0000367 38 0,000038 37,5 0,0000375 37,6 0,0000376 37,4 0,0000374 38,4 0,0000384 35,8 0,0000358 38,3 0,0000383 38,2 0,0000382 36,5 0,0000365 36,6 0,0000366 36,7 0,0000367 36,1 0,0000361 37,1 0,0000371 36,8 0,0000368 36,7 0,0000367
Para caracterizar estos productos de corrosión se aplica la difracción de rayos X
(RX) o también podemos aplicar la titulación. El color amarillo-naranja que se nos muestra en la probeta con la sal genera la mayor producción de corrosión del cupón por lo general es cloruro de hierro y el color azulado-negro que se ve en la probeta con ácido se da esta tonalidad al no presentarse una corrosión uniforme y no hay suficientes cationes de acido y por ende el precipitado de hierro en la base de la probeta. Grafica 3,9E-05 3,82E-05 NaCl (A)
Se observa que en la gráfica hay unos picos, esto indica el comportamiento de la capa de Helmholtz, que hace que suba o baje la corriente, según la integridad de la capa.
3,74E-05 3,66E-05
NaCl…
3,58E-05 3,5E-05 0
40 Tiempo (min)
Método gravimétrico Medición de la velocidad de corrosión en una solución de Acido Clorhídrico al 10% por método gravimétrico Tabla MET. GRAVIMETRICO Peso i del cupón (mg) Peso f del cupón (mg) Área cupón (dm2) Área cupón (in2) Tiempo (días) Vel. dif.peso (m.p.y) Vel.dif.peso (m.d.d)
HCl 28360 18480 0.31022 4.808 15 387.3080 2123.224
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN CORROSIÓN Y SU CONTROL Al sumergir el cupón de hierro en HCl, el ácido clorhídrico ataca rápidamente al hierro, según la siguiente reacción: Fe + 2HCl FeCl2 +H2 Considerando reacciones parciales: Fe Fe+2 + 2e 2H+ +2e H2 Vemos que el hierro se oxida, ya que hay desprendimiento de electrones e iones, para formar cloruro de hierro e hidrogeno diatomico, lo que hace que el cupón vaya perdiendo peso.
Medición de la velocidad de corrosión en una solución de Nacl al 3% por método gravimétrico Tabla MET. GRAVIMETRICO Peso i del cupón (mg) Peso f del cupón (mg) Área cupón (dm2) Área cupón (in2) Tiempo (días) Vel. dif.peso (m.p.y) Vel.dif.peso (m.d.d)
NaCl 22280 32060 0.31876 4.9407 15 -373.090 -2045.426
CONCLUSIONES
Donde: mpy: Milésimas de pulgada de penetración por año W: Perdida de peso en mg D: Densidad del metal (7.87gr/cm3) A: Área del electrodo de hierro T: Tiempo total de exposición en horas
Donde: m.d.d: mg por dm2 por día W: Pérdida de peso en mg A: Area del electrodo de hierro en dm2 T: Tiempo en días o en fracción de días
2123.2243
Al determinar la velocidad de corrosión se pudo observar que el método más eficiente es el gravimétrico debido a que se debe esperar un período de tiempo largo para determinarla y así obtener un resultado más preciso. El método electroquímico proporciona una velocidad de corrosión instantánea, no hace falta instrumentación muy sofisticada pues solamente necesitamos de un amperímetro y por lo tanto es un método económico; puede existir caída óhmica en sistemas altamente resistivos, lo que lo hace poco recomendable. En presencia de un medio agresivo salino o ácido, la velocidad de corrosión aumenta debido al pH al que está expuesto el material de estudio.
BIBLIOGRAFIA Teoría y práctica de la lucha contra la corrosión., J.A.González. C.S.I.C. Corrosión y control de corrosión., H.Uhlig. 1962. Editorial URMO
MEDICIÓN DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN CORROSIÓN Y SU CONTROL elocidad+de+corrosion&ei=yLUVSuYMIa2zASDheGPDQ#v=onepage& q=&f=false http://www.uam.es/personal_pdi/ ciencias/josem/static/CORROSION. pdf
Lecciones de corrosión electroquímica., M.Pourbaix. Ed. Instituto de Corrosión y Protección” 1987. Ciencia e ingeniería de los materiales., Donald Askelan. http://www.textoscientificos.com/ quimica/corrosion http://www.uam.es/personal_pdi/ ciencias/josem/static/CORROSION. pdf http://books.google.com.co/books ?id=Cg05ZNvbr1cC&pg=PA79&dq= metodo+electroquimico+para+la+v n° tubo
aspecto final disolución
precipitado
color con ferrocianuro
Catión de Fe que reacciona
14
Igual
No
Amarillo
III
6
Amarillo
No
Naranja
III
7
Pardo
Si
Verde
II
solución
pH inicial
pH final
1
NaOH
14
2
K2Cr2O7
5
3
NaCl
7
4
HCl
1
1
Igual
Si
Azul
II
5
KOH
14
14
Amarillo pálido
No
Amarillo
III
6
Na2CO3
11
11
Amarillo pálido
No
Amarillo
III
7
HNO3
1
1
Negro rojizo
Si
Azul
II
8
Na3PO4
12
10
Igual
No
Amarillo
III
9
Na2C2O4
8
8
Amarillo
Si
Amarillo
III
10
NaSCN
8
8
Pardo
Si
Amarillo pardo
III
11
H2SO4
1
1
Azulado
Si
Azul
II
12
KNO3
8
8
Marrón
Si
Azul
II
13
Agua grifo
8
8
Marrón
Si
Amarillo
II
14
Agua desionizada
8
8
Marrón
Si
Azul
II
15
agua herbida
8
8
marrón
si
Amarillo
II
El hecho de que el ferrocianuro vire a un color azul o verde, depende de si existe presencia de Fe (II) en la disolución, el precipitado será un compuesto formado por Fe (II) y otros componentes de la disolución. Algunas reacciones producidas en los tubos: n° tubo
Reacción
1
NaOH + Fe³+
2
K2Cr2O7 + Fe ²+
3
NaCl + Fe ²+
FeCl2 + Na+
4
HCl + Fe ²+
FeCl2 + Na+
5 6 10
Fe(OH)3 + Na+ Cr2O7= + Fe ²+
KOH + Fe Na2CO3 + Fe ² NaSCN + Fe°
Fe(OH)K +
FeCO3 Fe(SCN)6³-
