Anodos de Sacrificio

 

COMANDO GENERAL DEL EJÉRCITO ESCUELA MILITAR DE INGENIERIA “MCAL. ANTONIO JOSE DE SUCRE”   BOLIVIA

“PROTECCION CATODICA POR ANODOS

DE SACRIFICIO”  CARRERA:

INGENIERIA PETROLERA

SEMESTRE:

8VO A

MATERIA:

TRANSPORTES II

DOCENTE: 

ING. MARCO PANIAGUA

INTEGRANTES:

HUGO ALBERTO TERAN NATTES YERKO GUZMAN MAMANI  ALVARO MONTAÑO SERRUDO BLADIMIR CHAMBI CHOCHI

FECHA:

28 – 28  – NOV  NOV –  – 2018  2018

C6171-9 C5288-4 C5689-8 A12484-2

 

INDICE 1. Introducción ........................ .................................................. .................................................... .................................................... .......................... 1 2. Principio de la corrosión................................. corrosión.......................................................... ................................................... .......................... 2 2.1. Reacciones de Oxidación-Reducción........................................................ Oxidación-Reducción.......................................................... 3 2.2. Tipos de Corrosión ......................... ................................................... ................................................... .................................. ......... 4 2.2.1.

Corrosión Química ....................... ................................................. .................................................... .............................. .... 4

2.2.2.

Corrosión Electroquímica (Galvánica) ....................... ................................................. .......................... 4

3. Protección catódica por Ánodos de S Sacrificio acrificio ......................... ................................................... .......................... 5 3.1. Características electroquímicas del zinc (Zn), magnesio (Mg) y aluminio (Al) 3.2. Arreglo tí típico pico de un si sistema stema de protección catódica a base de ánodos galvánicos ...................... ................................................ .................................................... .................................................... .................................. ........ 8 3.3. Características fundamentales de los ánodos de sacrificio ....................... ......................... 9 3.4. Aleaciones para ánodos de sacrificio ....................... ................................................ ................................ ....... 10 3.5. Diseño de un sistema de protección catódica con ánodos galvánicos para ductos terrestres y lacustres .............................................. ........................................................................ ................................ ...... 10 3.6. Potencial estructura/electrólito mínimo permisible ........................ ................................... ........... 11 3.6.1.

Potencial estructura/electrólito máximo permisible ......................... ............................ ... 11

3.7. Resistividad del suelo suelo......................... ................................................... .................................................... ............................ .. 12 3.8. Fórmulas para el diseño del sistema de protección catódica por ánodos galvánicos ...................... ................................................ .................................................... .................................................... ................................ ...... 14 3.8.1.

Calculo de la resistiv resistividad idad del suelo ................................................. .................................................... ... 14

3.8.2.

Corriente entregada del ánodo en amperes ...................... ...................................... ................ 15

3.8.3.

Tiempo d de e vida útil del ánodo ....................... ................................................. ..................................... ........... 15

3.8.4.

Calculo de la corriente requerida para la protección....................... .......................... ... 16

3.8.5.

Densidades de corriente y factor de daño de recubrimiento .............. 17

 

3.8.6.

Cálculo de la masa requerida ....................... ................................................. ..................................... ........... 17

3.8.7.

Consumo de ánodos........................ .................................................. .................................................. ........................ 18

3.8.8.

Número de ánodos requeridos ......................... ................................................... ................................. ....... 18

3.8.9.

Espaciamiento entre ánodos ........................ .................................................. ..................................... ........... 18

3.8.10. Separación máxima de ánodos ....... ................................. .................................................. ........................ 19 4. Normas de Referencia ...................... ................................................ ................................................... .................................... ........... 19 5. Calculo de aplicación de protección catódica por ánodos galvánicos ...... ............ ...... 19 6. Conclusiones y recomendaciones .................................................. .................................................................. ................ 22 6.1. Conclusiones ..................... ............................................... ................................................... ............................................. .................... 22 6.2. Recomendaciones.............................. Recomendaciones........................................................ ................................................... ............................ ... 22 Bibliografía ........................ .................................................. .................................................... .................................................... ................................ ...... 24  Anexos .......................... .................................................... .................................................... .................................................... .................................... .......... 25

INDICE DE TABLAS 

1

Serie electroquímica e los metales……….………………… metales……….……………………………………………. …………………………... ....... .....

6

2 Propiedades físicas y electroquímicas e lectroquímicas del Mg, Zn y Al………………………..………….. Al………………………..…………..   7 3 Potencial estructura/electrolito máximo permisible………………………… permisible……………………………..…………. …..………….   12 4 Relación resistividad/grado de corrosividad…….…………………………………………. corrosividad…….………………………………………….  13 5 NRF-047-PEMEX NRF-047-PEMEX 2007………………………………… 2007……………………………………………………………… …………………………………….. ………..   16 6 Producto Jxfc……………….………… Jxfc……………….…………………………………… ……………………………………………………… …………………………….. .. 17 7 Consumo de ánodos para calcular la masa anódica……………………………………… anódica………………………………………   18 8 Ventajas y desventajas de la protección catódica por ánodos de sacrificio…….. .......... 23

 

INDICE DE GRAFICOS

1 Ecuación de la resistividad aparente aparente………………………………………………………. ……………………………………………………….   13 2 Ecuación de la resistividad del suelo…………………… suelo………………………………………………………. ………………………………….   13

INDICE DE FIGURAS

1 Reacción REDOX en pila galvánica…………………………… galvánica…………………………….………………………... .………………………....... ....

3

2 Mecanismos de protección catódica con ánodo de sacrificio……………………………..  sacrificio…………………………….. 

7

3 Sistema típico de protección catódica por ánodos galvánicos……………………………. galvánicos…………………………….  

8

4 Sistema d de e protección catódica to tomando mando en cuenta lla a distanci distancia a entre el ánodo y ducto a proteger…………………………… proteger……………………………………………………… ………………………………………………… ………………………... ...

8

5 Sistema d de e protección catódica to tomando mando en cuenta lla a elevación entre el ánodo y ducto a proteger…………………………… proteger……………………………………………………… …………………………………………………... ………………………...  

9

 

1. Introducción “Corrosión es la destrucción de un cuerpo sólido causada por un ataque no provocado, de naturaleza química o electroquímica que se inicia en la superficie”. Esta es la definición más generalmente aceptada, en cualquier caso, la corrosión es un proceso destructivo en lo que a ingeniería se refiere, y representa represe nta una enorme pérdida económica. Es decir, aproximadamente un 25% de la producción anual de acero es destruido por la corrosión. Dicho esto, podemos expresar como la protección catódica constituye actualmente uno de los métodos más importantes para controlar la corrosión. Los procedimientos más tradicionales utilizados para disminuir la velocidad de corrosión de metales y aleaciones expuestos a los medios agresivos se basan en la aislación del material metálico por medio de recubrimientos protectores formado por sustancias metálicas o no metálicas (plásticos, cerámicos, cementos, pinturas, resinas, etc.). Sin embargo, la protección catódica utiliza como elemento protector a la corriente eléctrica. La protección catódica se define como “el método de reducir o eliminar la corrosión de un metal, haciendo que la superficie de este funcione completamente como cátodo cuando se encuentra sumergido o enterrado en un electrólito”. Esto se logra haciendo que el potencial eléctrico del metal a proteger se vuelva más electronegativo mediante la aplicación de una corriente directa o la unión de un material de sacrificio (comúnmente magnesio, aluminio o zinc). Normalmente, el método es aplicable a estructuras de fierro y acero, pero también se usa en grado limitado en plomo, aluminio y otros metales. Se debe recordar que el cátodo es aquel electrodo donde se desarrolla la reacción de reducción y prácticamente no ocurre corrosión alguna. Antes de aplicar la protección catódica, las estructuras corroíbles presentan áreas catódicas y anódicas (estas son aquellas donde la estructura se corroe). Por lo tanto, si todas las áreas anódicas se pudieran convertir en catódicas, la estructura completa funcionaría como un cátodo y la corrosión sería eliminada.

1

 

Para cumplir con este objetivo, los ánodos deben cumplir con ciertas características de peso, dimensiones, forma geométrica.

2. Principio de la corrosión Entendemos por corrosión la reacción de un metal o aleación con el medio con deterioro de las propiedades metálicas. A causa de este fenómeno los metales pierden su estado elemental y vuelven a su estado combinado (estado iónico) de origen. Por tanto, la corrosión, en el sentido más amplio, es un fenómeno natural, por medio del cual los sistemas químicos expresan su tendencia hacia un estado de equilibrio estable y puede definirse de varias maneras:   Destrucción o deterioración de un material material a causa de su reacción con el

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medio ambiente;   Destrucción de los materiales por medios cualesquiera, excepto mecánicos.

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  Proceso inverso de la metalurgia extractiva, en virtud del cual los materiales metálicos tienden a volver al estado combinado, en el que se encuentran

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en la naturaleza.   Desde un punto de vista ttermodinámico, ermodinámico, podemos decir que la corrosión se

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debe a que el estado de existencia más estable para un metal es su forma combinada, es decir, el estado de más baja energía, ya sea en forma de óxido, sulfuro, cloruro, sulfato o carbonato, etc. que es como aparecen los metales en los minerales. Se entiende por corrosión a la interacción entre un metal con el medio que lo rodea, dando origen al deterioro en sus propiedades físicas y químicas. Las características cara cterísticas fundamentales de este fenómeno es que sólo ocurre ocu rre en presencia de un electrolito, ocasionando regiones identificadas como anódicas y catódicas. En la zona anódica se da la reacción de oxidación en la cual los electrones son liberados dirigiéndose a otras regiones catódicas y por lo tanto en esta zona se producirá la disolución del metal (corrosión) y en la zona catódica, la inmunidad del metal.

2

 

2.1.

Reacciones de Oxidación-Reducción

Las reacciones REDOX o reacciones de Oxidación  – Reducción,  – Reducción, se caracterizan por realizarse una transferencia de electrones de una sustancia a otra. A diferencia del resto de reacciones químicas, las reacciones REDOX pueden realizarse sin contacto físico entre las sustancias reaccionantes, bastando que entre ellas se produzca contacto eléctrico. La corriente de electrones fluye del ánodo al cátodo porque hay una diferencia de energía potencial eléctrica entre los electrodos2. Oxidación: Pérdida de e-

→ Ánodo  Ánodo 

Reducción: Ganancia de e- → Cátodo  Cátodo  El término reacción de Oxidación se refiere a la semi-reacción en la que hay pérdida de electrones, y se denomina reacción de Reducción a la semi-reacción en la que hay ganancia de electrones. Así, podemos determinar que la zona donde tiene lugar la oxidación recibe el nombre de ánodo, y donde ocurre la reducción, cátodo. Los ánodos y cátodos involucrados en un proceso de corrosión se conocen como electrodos.

Figura 1: Reacción REDOX en pila galvánica. Es importante destacar, puesto que este es el principio básico de la protección catódica, que las reacciones REDOX pueden ser detenidas mediante la aplicación

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en sentido inverso de una corriente eléctrica de igual magnitud que la generada espontáneamente por la reacción. Las reacciones REDOX siempre ocurren espontáneamente en el sentido de generar un voltaje positivo, de modo que con una tabla de potenciales estándar de reducción es sencillo predecir el sentido que tendrá cualquier reacción de oxidación-reducción. 2.2. Tipos de Corrosión

2.2.1. Corrosión Química También conocida como corrosión seca, es la que actúa cuando el metal se combina con el medio por reacción directa; los átomos metálicos reaccionan químicamente con la sustancia agresiva, interesando el proceso a toda la superficie metálica y de una manera similar. Por tanto, la corrosión química tiene lugar en metales que están en contacto con un medio corrosivo seco (usualmente gaseoso) a elevada temperatura. Metal + gases → Productos de corrosión  corrosión   El caso más común es la interfase metal/aire.

2.2.2. Corrosión Electroquímica (Galvánica) La corrosión electroquímica es el tipo de corrosión más frecuente y se produce en superficies metálicas en contacto con un medio agresivo constituido por un electrolito3 (disolución acuosa de ácidos, bases o sales). Las reacciones que tienen lugar son similares a las que conocemos como reacciones electroquímicas, es decir, procesos con participación de iones y transferencia de electrones. Por tanto, responden a un mecanismo electroquímico, es decir, con ánodos y cátodos individualizados en el seno de un electrolito. Expresado de otra manera, la corrosión electroquímica es el proceso de conversión de un metal en productos de corrosión (óxidos, cloruros, carbonatos) que tiene lugar cuando un metal está en contacto con una disolución electrolítica. A diferencia de la corrosión química, que se produce por reacciones químicas, la corrosión electroquímica tiene lugar a través de procesos electroquímicos (reacciones de 4

 

transferencia de carga en la superficie de los electrodos). En general, la corrosión electroquímica es más rápida que la química, aunque esto depende considerablemente de la naturaleza del sistema metal/medio agresivo. Ésta será el tipo de corrosión en la que nos centraremos, y la cual pretenderemos evitar, dado que es la que tiene lugar en el acero del casco de los buques (cátodo) al estar sumergido en agua de mar (disolución electrolítica). Los ánodos de sacrificio, por tanto, serán el ánodo.

3. Protección catódi catódica ca por Ánodos de Sacrifi Sacrificio cio Su masa es la fuente de corriente externa de protección que se activa espontáneamente cuando se conecta eléctricamente a la estructura por proteger toda vez que esta es menos negativa en la serie electroquímica y se consume en función de la demanda de corriente, derivada del área expuesta expu esta y la resistividad del electrolito común.  La corrosión, como ya hemos explicado, es un proceso electroquímico capaz de destruir una estructura metálica por la acción de numerosas celdas galvánicas que se forman en su superficie. El resultado es que el metal se oxida, transformándose en productos de corrosión. La corrosión se detiene cuando se hace fluir una corriente eléctrica de sentido contrario y de magnitud suficiente para contrarrestar dichas celdas. Esta corriente puede obtenerse de un rectificador o generador (corriente impresa) o de un ánodo de sacrificio (corriente galvánica), que forma una pila natural con la estructura entregando la corriente suficiente para impedir su corrosión. La corrosión de un metal se produce cuando éste actúa como ánodo de una pila electroquímica. La protección por ánodos de sacrificio consiste en crear otra pila electroquímica en la que el metal a proteger actúe como cátodo (el acero del casco del buque), para lo cual se ha de conectar eléctricamente este metal con uno menos noble (más activo), que se corroe: es el ánodo de sacrificio. Los materiales que se utilizan como ánodos de sacrificio han de ser, más activos electroquímicamente que los componentes de la estructura metálica a proteger y, 5

 

para que sea más rentable la protección, han de ser también más baratos. Generalmente para la protección de aceros se utilizan ánodos de magnesio, zinc y aluminio o aleaciones de estos metales entre ellos o con calcio. El potencial y corriente de protección pueden obtenerse de la unión con metales mucho más activos que el que se pretende proteger. En estas pilas galvánicas formadas, los metales más activos actúan de ánodo, “sacrificándose” en beneficio del metal que se desea proteger y que actúa de cátodo. Los ánodos de sacrificio cabe considerarlos como fuentes de energía eléctrica portátiles, por lo que particularmente útiles cuando no es posible disponer fácilmente de una fuente de corriente continua (como es el caso de protección catódica por corriente impresa), o cuando el tendido de una línea para tal aplicación hace antieconómica la protección catódica. En el método del ánodo de sacrificio se coloca un metal activo (zinc, magnesio o aluminio son los más comunes) en contacto eléctrico con el metal que se quiere proteger; de éste modo, el metal “sacrificado” se convierte en ánodo, sufriendo corrosión, mientras la estructura metálica queda protegida al convertirse con vertirse en cátodo.

Tabla 1: Serie electroquímica de los metales (Electrodo de referencia de hidrogeno normal). 6

 

Figura 2: Mecanismo de protección catódica con ánodo de sacrificio 3.1.

Características electroquímicas del zinc (Zn), magnesio (Mg) y aluminio (Al)

Las propiedades que deben reunir los materiales anódicos para que puedan ser utilizados como tales en la práctica, remiten, pues, al Zn, Al y al Mg como metales seleccionados. Otros posibles candidatos, como los metales alcalinos (Li, Na, K) y los alcalino-térreos (Be, Ca, Sr), quedan descartados des cartados porque son demasiado activos (tienen un sobrepotencial de hidrógeno pequeño y un potencial de disolución muy elevado) y otros, como el cromo (Cr), porque son fácilmente pasivables.

Tabla 2: Propiedades físicas y electroquímicas del Mg, Zn y Al 7

 

3.2.

Arreglo típico de un sistema d dee protección protección catódi catódica ca a base d dee ánodos galvánicos

Figura 3: Sistema típico de protección catódica por ánodos galvánicos

Figura 4: Sistema de protección catódica tomando en cuenta la distancia entre el ánodo y ducto a proteger.  8

 

Figura 5: Sistema de protección catódica tomando en cuenta la elevación entre el ánodo y ducto a proteger.  3.3.

Características fundamentales de los ánodos de sacrificio

Desde el punto de vista técnico y económico, un ánodo tiene que reunir una serie de propiedades esenciales para que sean útiles:   Tener un potencial de disolución lo lo suficientemente negativo para polarizar



la estructura (en el caso del acero a -0,8 V).   Debe presentar una tendencia tendencia pequeña a la polarización, es decir, no debe desarrollar películas pasivantes u obstructoras con los productos de



corrosión y tener una fuerte sobretensión de hidrógeno.   El material d debe ebe tener un el elevado evado rendimiento eléctrico en A/h kg.



  El ánodo deberá corroerse uniformemente.



  El metal será de fácil adquisición y deberá poder fundirse en diferentes



formas y tamaños.   El metal deberá tener un costo razonable, de modo que unido con otras

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características electroquímicas se pueda conseguir la protección a un costo razonable por amperio/año. 9

 

3.4.

Aleaciones para ánodos de sacrificio

La composición química de los ánodos de sacrificio incide en el comportamiento de ellos y particularmente sobre las propiedades que las caracterizan: • Potencial de disolución.  disolución.  • Rendimiento de corriente.  corriente.  • Polarización. • Homogeneidad de la corrosión anódica.  anódica.   Asimismo, la composición química ejerce influencia sobre las propiedades del producto de corrosión como: • Porosidad.  Porosidad.  • Adherencia.  Adherencia.  • Dureza.  Dureza.  • Conductividad eléctrica.  eléctrica. 

3.5.

Diseño de un sistema de protección catódica con ánodos galvánicos para ductos terrestres y lacustres

  Debe incluir como mínimo los criterios siguientes:



  Seleccionar la aleación del material a anódico nódico a utilizar en función del medio



de exposición, que puede ser el suelo, pantano, agua dulce o agua de mar.   Determinar el arreglo para instalar los ánodos



  Incluir las propiedades electroquímicas y e eficiencia ficiencia que establece lla a tabla 1



de la NFR   El consumo de ánodos de Magnesio de alto potencial y Zinc debe ser el que



se establece en la NFR

10

 

3.6.

Potencial estructura/electrólito mínimo permisible

a) Un potencial estructura-electrólito (catódico) mínimo de  –0.850  –0.850 volts, de C. D., medido respecto de un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4), en contacto con el electrólito en estructuras enterradas. b) Un potencial de protección estructura-electrolito (catódico) de  –0.950  –0.950 volts, medido respecto de un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4), cuando el área circundante de la tubería se encuentre en condiciones anaeróbicas y estén presentes microorganismos asociados al fenómeno de corrosión como las bacterias sulfato-reductoras. c) Un cambio de potencial de polarización mínimo de – de –0.100 0.100 volts, medido entre la superficie de la tubería y un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4) en contacto con el electrólito. El cambio de potencial de polarización se debe determinar interrumpiendo la corriente eléctrica de protección y midiendo el abatimiento de la polarización. Al interrumpir la corriente eléctrica ocurre un cambio inmediato de potencial. La lectura del potencial después del cambio inmediato, se debe usar como base de la lectura a partir de la cual se mide el abatimiento de la polarización. Los periodos de suspensión de corriente eléctrica de protección, durante los cuales se puede realizar dicha medición están en el rango de 0.1 a 3.0 segundos.

3.6.1. Potencial estructura/ estructura/electrólito electrólito máximo permisible Este valor se fijará de acuerdo a las características particulares del recubrimiento anticorrosivo dieléctrico existente en la tubería. No debe exceder al potencial de desprendimiento catódico o a valores de potencial más negativos que originen problemas colaterales.

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Metal o aleación Hierro y acero  Ambiente aeróbico  Ambiente anaeróbico

Electrodo de referencia (y condiciones de uso) cobre/sulfato de cobre (en suelos y agua dulce)

Plata/cloruro de plata (en agua de mar)

-0.850 volts

-0.800 volts

-0.950 volts

-0.900 volts

Tabla 3: Potencial estructura/electrólito máximo permisible 3.7.

Resistividad del suelo

La resistividad del suelo es el parámetro más importante en una instalación de tubería metálica enterrada, como electrolito (humedad), servirá para hacer fluir la corriente catódica. Para su medida es necesario disponer de cuatro electrodos equidistantes enterrados en el suelo. La configuración de F. Wenner se indica en la figura 4.

Figura 6: Medición de resistividad Disponiendo de un instrumento medidor a tierra de cuatro terminales se puede obtener la resistividad aparente. Palmer desarrolló la siguiente fórmula, para determinar la resistividad aparente.

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Gráfico 1: Ecuación de la resistividad aparente La resistividad del suelo varía con la humedad, la temperatura, la estratificación geológica, composición química del suelo, además horizontal y verticalmente. ver ticalmente. Una fórmula aproximada, cuando b