Kitabı oku: «Suministro, Distribución y Evacuación Interior de Agua Sanitaria», sayfa 6
2.4.2 Efectos indeseables de la corrosión
Estudiaremos los efectos corrosivos y sus consecuencias para a continuación considerar los fenómenos de incrustación asociados a la distribución del agua. Aunque en la mayor parte de los casos, en el interior de los conductos especialmente de los metálicos, los dos efectos aparecen asociados, resulta conveniente estudiarlos de manera independiente para intentar esclarecer de este modo, tanto los mecanismos que los originan como las consecuencias de los mismos y sus posibles soluciones.
En definitiva, la prevención y, si procede, la protección anticorrosión así como la evitación de las incrustaciones pueden suponer un ahorro de ingentes cantidades de dinero por la prolongación de la vida útil del equipo, elemento o dispositivos y una mayor seguridad operacional y de servicio. Evidentemente, la planificación de un sistema de protección concreto deberá tener el soporte de un excelente conocimiento de los fenómenos de corrosión e incrustación.
Con la palabra corrosión designamos esencialmente al fenómeno de la transformación o destrucción de los metales por cualquier medio, bien sea físico (fricción, abrasión, erosión, cavitación, agrietamiento), químico (por acción directa del oxígeno o substancias oxidantes) o electroquímico (por efectos de pila galvánica, corrientes vagabundas, etc.) produciendo pérdidas en sus propiedades mecánicas de resistencia, lo que da lugar a cambios en la geometría de las estructuras y componentes que les hacen perder la función para la cual estaban destinados. La velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, la salinidad del fluido en contacto con el metal y las propiedades de los metales en cuestión.
La corrosión electrolítica de los metales es un fenómeno natural. En efecto, salvo raras excepciones (el oro, el hierro de origen meteórico), los metales están presentes en la Tierra en forma de minerales estables en condiciones naturales (como la bauxita si es aluminio, la hematita si es hierro…), por tanto, al ser expuestos a las condiciones ambientales, una vez extraídos, tienden a estabilizarse química y energéticamente. El paso espontáneo de estos materiales a su estado natural combinado, es llamado corrosión.
Termodinámicamente, los materiales buscan alcanzar condiciones estables, los metales oxidados alcanzan alta estabilidad; entonces se diría que la corrosión es un proceso inverso a la metalurgia extractiva. A pesar de lo indicado hay que advertir que no siempre los daños causados por medios físicos se denominan corrosión sino erosión, abrasión o desgaste. En algunos casos, el ataque químico va acompañado de daños físicos y entonces se denomina corrosión-erosión, desgaste corrosivo o corrosión por fricción.
Como es bien conocido, en el caso de los metales, a menos que se les proteja adecuadamente se corroen fácilmente. Un ejemplo son el hierro y los aceros ordinarios que se transforman con mayor o menor rapidez en herrumbre. La corrosión es para la mayoría de los utilizadores de los metales, una fuente continua de preocupación. Entre las consecuencias de la corrosión cuyos efectos vemos diariamente se pueden señalar como ejemplo:
• Perforación de tuberías metálicas de distribución de agua, de gas o de otros fluidos, con las consiguientes pérdidas económicas y los riesgos inherentes.
• Deterioro de estructuras metálicas, vigas, soportes.
• Destrucción de equipos o disminución de su vida útil (intercambiadores de calor, torres de refrigeración, bombas de impulsión, compresores, turbinas, etc.)
• Modificar el medio ambiental es la mayoría de las veces una alternativa prácticamente imposible de aplicar. Solo en contadas ocasiones es posible modificar el medio de exposición.
• Introducir materiales de elevadas prestaciones frente a la corrosión si bien es una posibilidad, tenemos que decir que sigue siendo inviable en la mayoría de los casos por las elevadas inversiones que supone el empleo de estos materiales. Se trata de aleaciones a base de una matriz principal, normalmente de hierro y la dosificación de los materiales aleantes que forman la estructura resistente (Cr, Ni, Mo, Cu, etc.) pudiéndose adelantar que existen campos donde su aplicación nunca llegará a imponerse.
El estudio de la corrosión y de los métodos para su prevención requiere de esfuerzos multidisciplinares. El «factor corrosión» es fundamental en el proceso de selección de materiales y diseño de las estructuras. Son múltiples los sistemas de protección existentes y la experiencia ha demostrado que muchas veces la solución óptima se alcanza integrando varios de ellos.
El agua puede participar en reacciones de oxidación y de reducción. El agua puede ser un donante de electrones; esto se llama un agente de reducción. El tipo de reacción donde un compuesto toma electrones se llama una reacción de oxidación. El aceptador de electrones se llama el oxidante. El oxígeno es originado generalmente durante tales reacciones. El agua puede también actuar como aceptador de electrones, un oxidante. El tipo de reacción donde un compuesto acepta electrones se llama una reacción de reducción.
Un ejemplo de una reacción redox de cobre (Cu) y de cinc (Zn):
Cu++ (aq) + Zn(s) →Zn++ (aq) + Cu(s)
Cuando separamos esta reacción en dos porciones podemos ver la oxidación y la reducción de los electrones (e -) por separado:
En esta reacción el cinc es un donante de electrones; el cinc es el agente de reducción. El cobre es el agente que oxida, porque el cobre es el aceptador de electrones.
2.4.3 Mecanismo de la corrosión
La característica fundamental de este fenómeno, es que solo ocurre en presencia de un electrolito, ocasionando regiones plenamente identificadas, llamadas anódicas y catódicas: una reacción de oxidación es una reacción anódica, en la cual los electrones son liberados dirigiéndose a otras regiones catódicas. En la región anódica se producirá la disolución del metal (corrosión) y, consecuentemente en la región catódica la inmunidad del metal.
2.5 Tipos de corrosión
Es posible clasificar los procesos de corrosión recurriendo a distintos criterios: por la naturaleza de la sustancia corrosiva, el mecanismo de la corrosión, la morfología del ataque (ataque uniforme, localizado, etc.); por el medio que la produce (corrosión por ácidos, atmosférica, por suelos, etc.); por las condiciones físicas que la motivan (por cavitación, por corrientes vagabundas, etc.)
2.5.1 Por la naturaleza de la substancia corrosiva
La corrosión puede ser clasificada como húmeda o seca.
La corrosión húmeda o electroquímica
Es la que se da en la mayoría de casos, siendo producida por líquidos. Se produce cuando los materiales metálicos se hallan en contacto con medios de conductividad electrolítica, en particular con el agua, disoluciones salinas, o la humedad de la atmósfera y de los suelos. En consecuencia, la presencia de moléculas de agua sobre la superficie es la condición necesaria para que ocurra este tipo de corrosión.
Corrosión seca
Cuando un metal trabaja a temperatura elevada, salvo casos muy excepcionales, no es posible la existencia de una película líquida conductora sobre su superficie (electrolito) en estas condiciones la reacción de corrosión tiene lugar a través de un mecanismo diferente al electroquímico, consistente en una reacción química directa entre el metal y un gas agresivo que normalmente es oxígeno. El resultado de esta reacción es la formación de óxidos.
2.5.2 Por los mecanismos de corrosión
Comprende las reacciones químicas, las reacciones electroquímicas y las microbiológicas.
Corrosión química
Se produce en aquellos casos en que el metal reacciona con un medio no iónico (por ejemplo oxidación en aire a alta temperatura).
Corrosión electroquímica
En realidad todos los procesos de corrosión son electroquímicos, siendo sin embargo usual designar como corrosión electroquímica a la que implica un transporte simultáneo de electricidad a través de un electrolito. A este grupo pertenecen la corrosión en soluciones salinas y agua de mar, la corrosión atmosférica, en suelos y la galvánica, etc.
Tabla 2.1 Serie electroquímica
| Más alto potencial: más activos o menos nobles. | Magnesio |
| Aleaciones de Magnesio | |
| Se oxidan más fácilmente. | Cinc |
| Aluminio y sus aleaciones | |
| Acero dulce | |
| Fundición | |
| Acero inoxidable 13% Cromo tipo 410 | |
| Acero inoxidable 18-8 tipo 304 (activo) | |
| Acero inoxidable 18-8 3% Molibdeno tipo 316 (activo) | |
| Plomo | |
| Estaño | |
| Bronce Naval | |
| Níquel (activo) | |
| Latón amarillo | |
| Latón rojo | |
| Cobre | |
| Níquel (pasivo) | |
| Más bajo potencial: | Acero inoxidable 18-8 tipo 304 (pasivo) |
| Menos activos o más nobles, resisten mejor la oxidación | Acero inoxidable 18-8,3% Mo tipo 316 (pasivo) |
| Metales Nobles: Oro, Plata, Platino |
Corrosión por pila geológica o diferencias de composición del medio
Es a la que se encuentran sometidos los elementos metálicos en contacto con suelos de composición o permeabilidad variable. Cuando un tubo o material metálico atraviesa un electrolito no homogéneo se produce una diferencia de potencial en el mismo metal entre una zona y otra, un ejemplo es una tubería de acero que pasa por una zona arcillosa (zona anódica) y luego por una zona arenosa (zona catódica).
Figura 2.4 Corrosión por pila geológica
Corrosión Microbiológica o corrosión inducida por microorganismos (CIM)
Se produce en conducciones e instalaciones por la actuación de organismos microbianos (hongos, bacterias y microorganismos) ya sea porque estos fabrican substancias agresivas o porque actúan como iniciadores de las reacciones de corrosión.
Corrosión-erosión
Al desplazarse un fluido sobre una superficie metálica, aumenta la velocidad de la corrosión debido al desgaste mecánico. En este caso el ataque se llama corrosión por erosión. El papel de la erosión se atribuye generalmente al desprendimiento de películas superficiales protectoras, por ejemplo, las películas protectoras formadas por el óxido generado por el aire o los productos adherentes de la corrosión. La corrosión por erosión tiene generalmente el aspecto de pequeños hoyos lisos. El ataque puede también exhibir un patrón direccional relacionado con la trayectoria tomada por el fluido.
Corrosión por corrientes vagabundas
Se produce por la descarga a tierra de corrientes continuas dispersas existentes en algunas zonas y generadas por instalaciones de cubas electrolíticas, ferrocarriles o tranvías eléctricos, equipos de soldadura eléctricos, etc., produciéndose la descomposición del material generalmente bajo tierra por un proceso electrolítico. Las acometidas de tuberías para viviendas deben, para evitar estos casos, ir protegidos con una junta dieléctrica.
Figura 2.5 Ejemplo de corrosión por corrientes vagabundas
2.5.2.1 Corrosión galvánica
En las instalaciones de distribución de agua potable se utilizan diferentes materiales como son tuberías de acero galvanizadas, tuberías de cobre, válvulas de latón o de bronce, accesorios y componentes de acero inoxidable y de zamak (aleación de cinc y aluminio).
Cuando un electrolito (agua, humedad, etc.) y dos materiales metálicos están en contacto (celda galvánica), la corrosión aumenta en el material menos noble (el ánodo) y disminuye en el más noble (el cátodo). Este aumento en la corrosión se denomina corrosión galvánica. La tendencia de un metal o de una aleación a corroerse en una celda galvánica viene determinada por su posición en la serie galvánica. La serie galvánica indica la nobleza relativa de los distintos metales y aleaciones en un entorno determinado (por ejemplo, agua de mar). Cuanto más lejos se encuentre un metal en la serie galvánica, mayores serán los efectos de la corrosión galvánica. Los metales o las aleaciones del extremo inferior son nobles, mientras que los del extremo superior son menos nobles.
Figura 2.6 Ejemplo de corrosión galvánica por uso de diferentes metales
No debe confundirse la serie galvánica con la electroquímica. En la primera, no se indican voltajes por tratarse de una ordenación comparativa de actividades de metales y aleaciones en un determinado medio, permitiendo predecir cuáles de ellos tendrán una actuación anó- dica y por tanto sufrirá corrosión, mientras que la serie electroquímica o de potenciales de electrodo hacen referencia solo a metales puros con actividades unidad de sus iones a 25°C teniendo una utilidad limitada.
Adviértase que algunos metales de la serle galvánica ocupan dos posiciones diferentes en la tabla 2.1. El estado pasivo representa un estado de no equilibrio, en el que el metal, debido a películas superficiales, ha dejado de estar en equilibrio normal con sus iones y ha adquirido una resistencia mayor a la corrosión, la que puede perderse si cambian algunas condiciones del medio y el metal se vuelve activo.
Los principios de la corrosión galvánica se utilizan en la protección catódica como medio para reducir o evitar la corrosión de una superficie metálica utilizando ánodos de sacrificio (cinc o aluminio) o corrientes impresas.
La corrosión galvánica en las instalaciones de fontanería suele ocurrir en uniones de tubos de hierro, o de acero galvanizado, con tubos de cobre, incluso aunque se introduzcan manguitos aislantes de plástico. Cuando esto ocurre, el metal más activo (menos noble) se corroe de forma muy rápida. Utilizando metales distintos en una misma instalación, siempre debe instalarse el menos noble antes que el más noble. Así, si por ejemplo utilizamos acero galvanizado y cobre, siempre deberemos instalar el acero galvanizado antes que el cobre y nunca al revés, ya que entonces las partículas de cobre que pueden desprenderse irían a parar a la superficie del acero galvanizado iniciado un fenómeno de corrosión galvánica, si se encuentran inmersos en un electrolito o medio húmedo.
2.5.3 Por la apariencia del metal corroído
La clasificación de la corrosión por su apariencia en uniforme, localizada o en placas es muy útil en una primera aproximación al fenómeno. En la corrosión uniforme el metal se corroe a la misma velocidad en toda su superficie, mientras que en la localizada solamente resultan afectadas pequeñas áreas siendo necesario establecer las diferencias entre la corrosión localizada de tipo macroscópico y el ataque microscópico local. En el ataque microscópico, la cantidad de metal disuelto es mínimo y puede conducir a daños muy considerables antes de que el problema sea visible. El ataque uniforme o generalizado es la forma más benigna de la corrosión y el tipo más comúnmente encontrado, caracterizándose por el adelgazamiento progresivo y uniforme del componente metálico. El ataque se extiende en forma homogénea sobre toda la superficie metálica, es decir, la pérdida de espesor será muy parecida en cada punto de la superficie del material y su penetración media es igual en todos los puntos. En el caso de las conducciones esto da lugar a la aparición de fooling o ensuciamiento del circuito. Un ataque de este tipo permite calcular fácilmente la vida útil de los materiales expuestos a él. Un ejemplo característico es la corrosión atmosférica.
Figura 2.7 Ataque por picadura de punto o (pitting) en una conducción de acero negro
Corrosión atmosférica
El medio agresivo en el que se originan más del 50% de las pérdidas totales atribuibles a fallos por la existencia de fenómenos de corrosión, es la atmósfera. El oxígeno del aire y los contaminantes atmosféricos inciden intensamente en la corrosión metálica.
Ataque selectivo o localizado
Es el que se da solamente en una zona muy concreta de la superficie del metal, manifestándose por la aparición de picaduras o perforaciones aisladas.
Figura 2.8 Ejemplo de corrosión selectiva del latón en una instalación
Aireación diferencial
Producida en aquellos lugares que favorezcan la acumulación puntual de agua/humedad en los ambientes secos o de aire o en los medios sumergidos. También puede producirse en el interior de conductos por la obstrucción o las alteraciones del flujo, que puedan producir zonas más aireadas dentro de la propia tubería. La corrosión bajo depósitos de fooling (suciedad) es en realidad debida a la aireación diferencial.
El ataque por picadura de punto o (pitting)
Se presentan en formas de perforaciones en una superficie relativamente inatacada y se desarrolla de tal manera que su ancho es comparativamente menor que su profundidad, propagándose en el interior del metal formando túneles. El picado se puede presentar en varios metales y aleaciones, pero los aceros inoxidables y las aleaciones de aluminio son susceptibles en especial a este tipo de degradación, presentándose así mismo con más frecuencia en soluciones de pH casi neutros, que contengan iones halógenos (cloro, flúor, bromo, etc.). También es susceptible de este ataque el cobre, que según las circunstancias pueden ser de las llamadas del tipo I, II, III. La propensión a corrosión por picadura se evalúa en el cobre mediante el monograma de Lucey.
Corrosión por cavitación
Es la producida por la formación y colapso de burbujas en la superficie del metal (en contacto con un líquido). Es un fenómeno semejante al que le ocurre a las caras posteriores de las hélices de los barcos. Genera una serie de picaduras en forma de panal.
Corrosión selectiva de las aleaciones
La corrosión por disolución selectiva se produce en las aleaciones polifásicas al efectuarse la supresión de uno de los elementos de una aleación siendo el ejemplo más común la eliminación del cinc en aleaciones de cobre-cinc (latones 30/70), conocido con el nombre de descinficación del latón (Cu-Zn).
