protección catódica total.pdf
TRANSCRIPT
Protección CatódicaC i t d l t t d t d bi tCasi todas las estructuras de acero enterradas son recubiertas conun recubrimiento protector orgánico, pero esta protección escomplementada con un sistema de protección catódica, quepreviene la corrosión en las imperfecciones del recubrimientopreviene la corrosión en las imperfecciones del recubrimiento.
Protección CatódicaL l t f b i l l bi tLas plataformas submarinas por lo general no son recubiertas peroson protegidas catódicamente. Este tipo de protección generacambios en la química del agua de mar cerca a la estructuraprotegida causando la precipitación de un recubrimiento naturalprotegida, causando la precipitación de un recubrimiento naturalsobre la estructura que reduce la corriente necesaria para laprotección catódica.
PRINCIPIOS DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA
El i l hi i l ió á idEl zinc y el hierro inmersos en una solución ácida se corroenindependientemente en el medio.
Fe Fe2++2e-
2H+ +2e- H2
2H+ + Fe Fe2+ + H
Zn Zn2+ + 2e-
2H+ +2e- H2
2H+ + Zn Zn2+ + H 2H + Fe Fe + H22H + Zn Zn + H2
PRINCIPIOS DE LA PROTECCIÓN CATÓDICAL ió lé t i t l i l hi i l ióLa unión eléctrica entre el zinc y el hierro ocasiona que la corrosióndel Fe disminuya, mientras se incrementa la corrosión del zinc.
Elemento más activo
A esto se le conoce como protección catódica por ánodo de sacrificio
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
2e-
(a) 2H+ +2e- H2
(b) 1/2O2 + H2O + 2e- 2OH
Mg Mg2+ + 2e-
La tubería de acero es unida al magnesio (metal más activo). El Mg sei i t l t l t b í d t ié d l Elcorroe y suministra electrones a la tubería de acero protegiéndola. El
ánodo de Mg es destruido progresivamente y es llamado ánodo desacrificio
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
2e-2e
(a) 2H+ +2e- H2
(b) 1/2O2 + H2O + 2e- 2OH
H2O 1/2O2 + 2H + + 2e-
No necesariamente activo
2 2
El ánodo y la tubería son conectados a un rectificador eléctrico, el cualsuministra corriente continua al sistema la tubería recibe el exceso desuministra corriente continua al sistema, la tubería recibe el exceso deelectrones protegiéndola. Los ánodos por lo general son hechos demateriales no consumibles.
Principio de la protección catódica desde el diagrama E-pH
Ánodo de sacrificio o corriente impresa
Suministra electrones al hierro
Polariza catódicamente al hierro
El flujo de corriente eléctrica suministrado al Fe por el ánodo desacrificio o por un rectificador le produce una polarización catódica, nc,desplazando el potencial del Fe desde A hasta B (valores más activos).desplazando el potencial del Fe desde A hasta B (valores más activos).Por lo general la nc no lleva al Fe a la zona de inmunidad, debido aque esto ocasionaría que el hierro se transforme totalmente catódico yse produzca una alta evolución el hidrógeno lo cual causaría sufragilización, además de un excesivo consumo de energía.
Principio de la protección catódica desde un diagrama E- Log|i|
Fe-H2O
El hierro bajo estas condiciones se corroe con una velocidad de 10-4
A/ 2 1 2 / ñ t i d i l h d ¼ lA/cm2 ≈ 1.2 mm/año, esto quiere decir, que una plancha de ¼ pulg secorroerá en 5.4 años.
Principio de la protección catódica desde un diagrama E- Log|i|
Fe-H2ONo existe una
La reacción del H2 ocurre sobre la
200 mV
protección total del Fe, pero si suficiente para
condiciones
ocurre sobre la superficie del Fe
200 mVprácticas
Si aplicamos una polarización catódica de 200 mV, el hierro secorroerá con una velocidad de 10-6 A/cm2 ≈ 0.012 mm/año, esto quieredecir que una plancha de ¼ pulg se corroerá en 543 añosdecir, que una plancha de ¼ pulg se corroerá en 543 años.
Principio de la protección catódica desde un diagrama E- Log|i|
Fe-H2O Protección total del Fe: problemas de
fragilización por H
400 mV
fragilización por H2
400 mV
consumo elevado de energíaconsumo elevado de energía
CRITERIOS PARA LA PROTECCIÓN CATÓDICA
1. CRITERIO DE POTENCIAL¿Qué valor de potencial de electrodo debería ser impuesto sobre una estructura metálicaenterrada para producir una disminución considerable en su velocidad de corrosión?
La protección del acero bajo protección catódica se estima haberLa protección del acero bajo protección catódica se estima haberalcanzado el nivel adecuado cuando las lecturas del potencialestructura/suelo medidos con las diferentes electrodos de referenciaconsiguen los siguientes valores:
ELECTRODO LECTURA
Ag AgCl 0 800VAg-AgCl -0.800V
Cu-SO4Cu -0.850V
Zn puro +0.25V
El valor de -0.85V (ECSCS) fue propuesto para la protección del hierro por B.J.Kuhn en 1933, basado en experimentos de campo. No obstante que es observadofrecuentemente una corrosión residual a este potencial, su valor ha ganado unaamplia aceptación.
CRITERIOS PARA LA PROTECCIÓN CATÓDICA
1. CRITERIO DE POTENCIAL
Medición del potencial de unaMedición del potencial de unaestructura enterrada
CRITERIOS PARA LA PROTECCIÓN CATÓDICA
1. CRITERIO DE POTENCIAL
Fe-H2ODependiendo [Fe2+] en elmedio, el potencial de –0.85 V( CSCS)
Fe H2O
(ECSCS) aplicado al acero lomantendría en la región decorrosión o lo llevaría a laregión de inmunidadregión de inmunidad.Sin embargo, la concentraciónde [Fe2+] en el medio en elcual se encuentra el acero acual se encuentra el acero aproteger, es muy pequeña (se asume del orden de 10-6 M). En este casoel potencial del acero (Fe) es alrededor de -0.93 V (ECSCS). Unpotencial de protección de –0 85 V (ECSCS) lo mantendría al acero enpotencial de protección de –0.85 V (ECSCS) lo mantendría al acero enla zona de corrosión, pero una protección adecuada.
CRITERIOS PARA LA PROTECCIÓN CATÓDICA
1. CRITERIO DE POTENCIAL
La efectividad del criterio de un potencial de -0.85 V (ECSCS) como método deprotección para el acero, dependerá del comportamiento de la pendiente de Tafelanódica del hierro [βa].[β ]
Considerando como criterio deprotección Vcorr=10-6 A/cm2 :
Para una βa=50 mV, seobtendría con una polarizaciónde 100mV.
Mientras que para una βa=150mV, se obtendría con unapolarización de 300 mVpolarización de 300 mV.
Sin embargo, valores reales para βa son dificultosos de obtener debido a que enla práctica los datos no son muy reproducibles.
CRITERIOS PARA LA PROTECCIÓN CATÓDICA
2. CRITERIO DE CAMBIO DE POTENCIAL
La protección del acero bajo protección catódica se estima haberalcanzado el nivel adecuado cuando se realiza un cambio de potencialnegativo de al menos 300 mV. (respecto al valor en circuito abierto)negativo de al menos 300 mV. (respecto al valor en circuito abierto)
Para el hierro inmerso en una solución H2SO4, se ha observado unEcorr = –570 mV (ECSCS) Un cambio de 300 mV daría –870 mVEcorr = –570 mV (ECSCS). Un cambio de 300 mV daría –870 mV(ECSCS), que es aproximado al criterio de –850 mV (ECSCS).
Sin embargo, el cambio de potencial mide:ΔE = ηcatódica + I.Rs
La caída de voltaje IR podría variar significativamente de un caso aotro (suelo → agua de mar), permitiendo diferentes niveles depolarización de protección para el mismo valor de cambio depotencial.
CRITERIOS PARA LA PROTECCIÓN CATÓDICA
CRITERIO DE POTENCIAL vs CAMBIO DE POTENCIAL
Asumiendo para los trescasos:• Una curva catódica similar.Una curva catódica similar.• Una caída IR despreciable.• Un Vcorr = 10-6 A/cm2 para
una protección satisfactoria.
La protección es obtenida:Caso 1: ƞ1= -200 mV Eprot: -400 mV (ESH) ó Eprot: -716 mV (ECSCS)
“Criterio de potencial”
ƞ1 prot ( ) prot ( )Caso 2: ƞ2= -300 mV Eprot: -400 mV (ESH) ó Eprot: -716 mV (ECSCS)Caso 3: ƞ3= -350 mV Eprot: -650 mV (ESH) ó Eprot: -966 mV (ECSCs).
CRITERIOS PARA LA PROTECCIÓN CATÓDICA
3. CRITERIO DE RUPTURA POTENCIAL
Algunos investigadores mantienen que el punto de ruptura entre losdos dominios de polarización (anódica y catódica) representa lacondición de velocidad de corrosión despreciable.condición de velocidad de corrosión despreciable.
inet = ⏐ic⏐– ia.
inet = ⏐ic⏐
ia (es depreciable)
Este criterio es más difícil de usar debido a la dificultad de obtener una región de Tafellineal bien definida en la curva de polarización experimentales en campo (suelo).
Magnitud de la densidad de corriente protectora
i = f (conductividad del medio acidez conc O )iap= f (conductividad del medio, acidez, conc. O2)Suelo de alta conductividad (baja resistividad) requieren mayor iaprespecto a otro de baja conductividad (alta resistividad).
Considerando una misma curvaanódica para el Fe:• Un suelo ácido de altaconductividad requerirá mayor iaprespecto a un suelo de alto pH,para un potencial de protección -0.85 V (ECSCS).• Para un bajo pH, el potencialde corrosión es más noble, ydebe ser impuesta una mayorpolarización ηL
Magnitud de la densidad de corriente protectora
i = f (conductividad del medio acidez conc O )iap= f (conductividad del medio, acidez, conc. O2)Tanto las condiciones del suelo, como las de un electrolito acuosopuede cambiar con el tiempo. En el caso de agua de mar, el contenidoO puede variar con el tiempo y lugarO2 puede variar con el tiempo y lugar.
Considerando una mismaódi l Fcurva anódica para el Fe, en
un proceso controlado pordifusión:
U i t l O• Un incremento en el O2disuelto produce un mayor iL,y requerirá mayor iaprespecto a un medio de bajorespecto a un medio de bajoO2, para un potencial deprotección -0.85 V (ECSCS).
Clasificación de Ohm.cm Corrosividad anticipada
Tabla 7.1. Corrosividad de suelos
suelosp
Resistividad bajaResistividad media
0 – 20002000 – 10000
SeveraAlta
Resistividad altaResistividad muy alta
10000 – 20000sobre 20000
ModeradaBaja
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
V t j
1. Fácil de instalar;
Ventajas
2. No requieren de fuente de C.C. ni regulador de voltaje;
3 V lt j d li ió fij3. Voltaje de aplicación fijo;4. La interferencia con estructuras enterradas es
prácticamente nula;prácticamente nula; 5. Bajo costo de mantenimiento;6. Distribución de corriente uniforme;7. Útil en medios de baja resistividad o alta conductividad;8. Se puede aumentar el número de ánodos con el
i t iósistema en operación.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
1. Corriente suministrada es limitada y aplicable en casos
Limitaciones
y pde requerimiento de corriente pequeña, económicohasta 5 amperios;
2 Sól l tili h t l lí it d i ti id d2. Sólo se los utiliza hasta un valor límite de resistividadeléctrica hasta 5000 ohm-cm (es decir, para suelos dealta conductividad);
3. Alto consumo de ánodos para estructuras enteradasmal revestidas y sin revestimiento en agua de mar.
4 L á d d i t l t t l4. Los ánodos pueden incrementar el peso estructural.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
Las características importantes de un ánodo desacrificio:1. Debe tener un potencial de disolución lo
suficientemente negativo, para polarizar lat t d 0 85 V (ECSCS)estructura de acero a -0.85 V (ECSCS);
2. El potencial práctico de disolución puede estarcomprendido entre -0.95 a -1.7 V (ECSCS);comprendido entre 0.95 a 1.7 V (ECSCS);
3. Corriente suficientemente elevada, por unidad depeso de material consumido;
4. Buen comportamiento de polarización anódica através del tiempo;
5 Bajo costo5. Bajo costo.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
Ánodos de magnesio1. Alto potencial con respecto al hierro y están libres de pasivación;
2. Para estructuras enterradas (oleoductos, pozos, etc.) son i i d d b i d lsuministrados con un mortero de bentonita en un saco de tela
permeable lo que asegura un buen medio conductor y su corrosión sea eficiente;
3. Se utilizan en estructuras enterradas en suelo de baja resistividad hasta 3000 ohmio-cm.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
Ánodos de magnesio
Composición comercial típica de los ánodos de magnesio
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
Ánodos de aluminio1. Preferidos para la protección plataformas marinas;2. Mayor período de duración comparado con el magnesio;3 Presenta mejores características corriente/peso que el zinc;3. Presenta mejores características corriente/peso que el zinc;4. En agua de mar el Cl- despasiva aleaciones de aluminio (Hg, Sb, In,
Sn) y permite a ellos actuar realmente como un material anódico;5. (Desventaja) resistente a la corrosión en agua dulce.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
Ánodos de aluminio
Composición comercial típica de ánodos de aluminio
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
Ánodos de zinc
1. Usados en los cascos de barcos, no se pasiva en aguadulce de algunos puertos;
2 También es usado en intercambiadores de calor uniones2. También es usado en intercambiadores de calor, unionesde tuberías en agua mar (compensar su flotabilidad con elpeso del zinc).
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
Ánodos de zincComposición comercial típica de ánodos de zinc (aleación Zn-Al-Cd)
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
Los tipos de ánodos (Mg Al y Zn) no presentan la misma actividad yLos tipos de ánodos (Mg, Al y Zn), no presentan la misma actividad, ysus potenciales respecto al ECSC, son diferentes, proporcionando unadistinta diferencia de potencial de celda con respecto a la estructura deacero a proteger.p g
El magnesio usado como ánodo de sacrificio provee +0 70V deEl magnesio usado como ánodo de sacrificio provee +0.70V defuerza para imponer espontáneamente una corriente protector (tienela fuerza electromotriz más grande)
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
Contenido de energía y eficiencia de un ánodog yMetal de sacrificio
Contenido teórico de
energía (Ah/kg)
Eficiencia anódica
Contenido práctico de
energía (Ah/kg)
Potencial de trabajo
(V) [ECSCS]
Relleno
Zinc 820 90% 738 -1 10 50%yeso; 50%BentonitaZincAluminioMagnesio
82029792206
90%75%50%
73822351103
-1.10-1.10
-1.45 a -1.70
50%yeso; 50%Bentonita
75%Yeso; 20%Bentonita; 5%Na2SO4
kil id i i t i t d i ñkilogramos requeridos para suministrar una corriente de un amperio por un año
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
VIDA ÚTIL DE UN ÁNODOUn kg de Zn suministra 1 Amperio por 737.6 horas. Por lo tanto, un Kg de Zn proporciona 84.2 mA por año.
Vida útil de un ánodo de zinc
Peso del ánodo de Zn (kg).
Intensidad (mA) de protecciónIntensidad (mA) de protección
Como medida de seguridad a estos cálculos deberíaid f t d 0 75considerarse un factor de 0.75
DIAGRAMA E – LOG |I| EN LA PROTECCIÓN CON ÁNODO DE SACRIFICIO
El ánodo de zinc en contacto con la estructura de acero se polarizaanódicamente y espontáneamente suministra un flujo protector de electronesal acero. El potencial del ánodo de trabajo del zinc Ew
zn es más noble que supotencial de corrosión Ecorr.
HZ 2Hc
Zna
neta iii −=
La eficiencia del Zn es del 90% lo cual indica que el 90% de e- liberadosLa eficiencia del Zn es del 90%, lo cual indica que el 90% de e- liberadospor la oxidación del zinc protegen la estructura metálica, y el otro 10%son consumidos en la reducción del H2 sobre el zinc.
DIAGRAMA E – LOG |I| EN LA PROTECCIÓN CON ÁNODO DE SACRIFICIO
El Fe se polariza catódicamente hasta su potencial de protección EprotFe,El Fe se polariza catódicamente hasta su potencial de protección Eprot ,
donde iaFe es despreciable respecto a reducción de H2 sobre el hierro icH2.
)Fe(Hc)Zn(
Hc
Zna
neta
22 iiii =−=
IR es la caída de voltaje debido a la resistencia eléctrica del sistemaIR es la caída de voltaje debido a la resistencia eléctrica del sistema(suelo) para el flujo de electrones.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO
Una condición fundamental en las estructuras a proteger por protecciónUna condición fundamental en las estructuras a proteger por proteccióncatódica, es que la estructura y el elemento de sacrificio, debenmantenerse en contacto eléctrico e inmerso en un mismo electrolito.
Dicho de otra manera, la protección catódica de una superficie metálicaes efectiva sólo si una corriente eléctrica catódica cruce la interfasemetal – electrolito.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
2e-
No necesariamente activo
(a) 2H+ +2e- H2H2O 1/2O2 + 2H + + 2e-
(b) 1/2O2 + H2O + 2e- 2OH
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
Ventajas
1. Puede diseñarse para un amplio intervalo de potenciali t
Ventajas
y corriente;2. Un ánodo puede suministrar puede suministrar una
gran corriente;gran corriente;3. Con una sola instalación se pueden proteger
superficies muy grandes;4. Potencial y corriente variable;5. Puede utilizarse en ambientes de alta resistividad;6 Efi t t t bi t l6. Eficaz para proteger estructuras no recubiertas o mal
recubiertas.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
Limitaciones
1. Alto peligro de causar problemas de interferencia;
Limitaciones
2. Requiere de inspección periódica y de mantenimiento;3. Requiere de fuente de corriente continua;4 Alt ibilid d d di i d b t ió4. Alta posibilidad de condiciones de sobreprotección con
daños a recubrimientos y problemas de fragilizaciónpor hidrógeno.
5. Conexiones y cables sujetos a rotura;6. Tiene un costo elevado.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
Este tipo de sistemas debe ser proyectado con cuidado parabl d i t áti ( á it ) lno causar problemas de corrientes erráticas (parásitas), las
cuales pueden provocar la corrosión de estructuras vecinas
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESACorriente alterna Corriente alterna
Alimentación primaria: 110 ó 220 V
Transformador monofásico
Corriente alternaCorriente alterna Alimentación salida
según necesidad
Rectificador monofásico
Control del potencial y intensidad de protección
Esquema de un transformador rectificador monofásico