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Curso de Corrosión Básica Capítulo 1 Introducción Introducción 1:1 Definición de Corrosión “La corrosión es el deterioro de una sustancia (usualmente un metal) o sus propiedades debido a la reacción con su medio ambiente” Formas Básicas de la Corrosión Existen muchas formas de la corrosión. Algunas ...

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Curso de Corrosión Básica Capítulo 1 Introducción

Introducción

Definición de Corrosión “La corrosión es el deterioro de una sustancia (usualmente un metal) o sus propiedades debido a la reacción con su medio ambiente”

Formas Básicas de la Corrosión Existen muchas formas de la corrosión. Algunas son encontradas con frecuencia en la vida diaria y en nuestro trabajo. Otras requieren combinaciones específicas de materiales y medios ambientes que pueden ser raramente encontrados. Obtener un entendimiento de los mecanismos de esas formas de la corrosión y de cómo esos mecanismos resultan en formas de corrosión específicas es un importante primer paso en el control de la corrosión. Lo que podemos entender, más fácilmente lo podemos controlar. En este curso, veremos que todas las formas de la corrosión, con la excepción de algunas formas de corrosión en alta temperatura, ocurren mediante la acción de celdas electroquímicas. Veremos que estas celdas pueden actuar de muchas formas, pero que sus principios generales, una vez comprendidos, pueden ser aplicados al entendimiento de la mayoría de las formas de la corrosión. Veremos que muchos de los métodos empleados en el control de la corrosión involucran la interrupción intencional de la acción de las celdas electroquímicas responsables. En este curso discutiremos muchas formas de corrosión, incluyendo: ¹ Corrosión General ¹ Corrosión Localizada Corrosión por Picadura Corrosión por Hendiduras Corrosión Filiforme ¹ Corrosión Galvánica ¹ Fractura por Corrosión Asistida por el Medio ¹ Efecto de la Velocidad de Flujo en la Corrosión ¹ Corrosión Intergranular Curso de Corrosión Básica, Manual del Estudiante © NACE International, 2004 01/15/04

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Introducción ¹ ¹ ¹

Dealeado Corrosión por Rozamiento Corrosión en Alta Temperatura

Ejemplos de la Corrosión Veremos una buena cantidad de ejemplos de corrosión que ocurren en nuestra vida diaria o en nuestro trabajo. Discutiremos los mecanismos activos en la iniciación y propagación de la corrosión. Los siguientes son ejemplos típicos de corrosión que describiremos y aprenderemos a combatir: ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹

Corrosión en Automóviles Corrosión Uniforme en Tubos de Acero al Carbón de Calderas Picaduras en Tuberías de Cobre Picaduras Debajo de Depósitos en Tubos de Acero al Carbón de Calderas Corrosión Galvánica en Acero Revestido con Cobre Corrosión Asistida por Esfuerzo (SCC) en Tubos de Acero Inoxidable en Calderas Erosión-Corrosión de Impulsores de Bombas de Hierro Colado Corrosión-Cavitación en Domos de Vapor Corrosión-Cavitación en Tuberías de Condensado Corrosión por Rozamiento en Rodamientos Corrosión Intergranular de Acero Inoxidable Deleado (Dezincificación) de Bulbos de Termómetro de Latón Dealeado (Grafitización) de Hierro Colado Corrosión en Alta Temperatura de Bridas de Escapes

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Introducción

Significado de la Corrosión La Corrosión es muy significante tanto en términos sociales como económicos.

Costos de la Corrosión En los Estados Unidos, las pérdidas directas debidas a la corrosión son de más de $276 billones de dólares anuales o el 3.1% del Producto Interno Bruto (PIB) 1. Estas pérdidas incluyen productos domésticos tales como automóviles, calentadores de agua, plomería, y de superficies expuestas tales como canales en techos y cañerías de salida de agua. También incluye el costo de la corrosión en la industria, y pérdidas debidas al deterioro de infraestructura pública incluyendo puentes, edificios, sistemas de abastecimiento y desecho de agua y de otras empresas de servicio público. El costo de la corrosión no puede ser eliminado completamente. Aún si la tecnología de control de corrosión pudiera eliminarla totalmente, habría que considerar el costo de las medidas de control en el análisis de reducción de los costos de corrosión. Como veremos, es usualmente más económico simplemente controlar la corrosión a un cierto límite, que eliminarla completamente.

¹ Corrosion Cost and Preventative Strategies in the United Status, September 2001, Report FHWA-RD-01-156

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Costos Relacionados con la Corrosión 1

Mantenimiento Excesivo/Reparación/Reemplazo

Si la corrosión no es propiamente considerada en el diseño inicial de un sistema, esto puede causar frecuentes paros no programados y la necesidad de mantenimiento excesivo, reparaciones y reemplazo de piezas dañadas para mantener el sistema en operación. El costo de estos factores comúnmente excede el costo de evitar la corrosión durante la etapa de diseño, mediante la selección de un material más resistente, cambios en las condiciones de operación del sistema, o la aplicación de otras medidas de control que serán descritas después en este curso. 1

Pérdida de Producción/Pérdida de Tiempo por Paros

Cuando el daño por corrosión ocurre y mantenimientos y reparaciones son requeridas, es usualmente necesario parar la producción. Estas interrupciones resultan en pérdida o reducción de ingresos a la planta, resultando en un gran impacto económico. Adicionalmente, puede haber altos costos en el paro y arranque de una planta industrial. Por ejemplo, el paro forzado y arranque de una planta eléctrica a base de combustibles fósiles puede costa más de $500,000 dólares al considerar costo de mano de obra, combustibles y otros costos asociados. 1

Contaminación de Producto

En muchas industrias, la contaminación de producto debido a productos de corrosión entrando a la corriente del proceso puede ser muy nociva. Esto es particularmente cierto para la industria procesadora de alimentos y farmacéutica, pero igual aplica a muchos otros procesos. El costo directo de este tipo de contaminación es la pérdida de valor de los productos contaminados; la contaminación también puede tener costos indirectos, pero esto será discutido más tarde.

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Pérdida de Producto

La pérdida de producto debido a fugas puede tener significantes costos, directos e indirectos. Los costos directos incluyen el valor del producto en sí, el costo de reparaciones, y los costos asociados al tiempo de falta de producción, incluyendo la salida o disparo de la planta y el restablecimiento de operación o arranque. Sin embargo, las fugas por corrosión pueden tener otros costos. Por ejemplo, la pérdida de materiales puede causar un daño colateral o de mayor efecto que el costo del producto perdido. Fugas en tuberías de sistemas de agua y/o sanitarios en edificios públicos y domésticos con frecuencia resultan en un gran daño colateral el cual es muchas veces mayor que el costo de reparar o prevenir fugas. 1

Pérdida de Eficiencia – Sobredimensiones y Costos por Exceso de Energía

En muchos casos, la corrosión puede ser prevenida empleando un sobredimensionamiento del sistema. Aunado a este costo directo, esto puede tener otros efectos económicos directos. Por ejemplo, el sobre diseño de tubos de un intercambiador de calor reducirá la eficiencia de intercambio, lo cual incrementará el consumo de combustible. El ensuciamiento de los tubos por productos de corrosión tiene un efecto similar. 1

Accidentes

La corrosión puede y desafortunadamente ha causado graves accidentes, resultando en lesiones a personas y pérdida de vidas. Los costos de accidentes relacionados con la corrosión tienen consecuencias económicas directas para cubrir esas pérdidas, y otros costos indirectos e implicaciones sociales. Por ejemplo, si una planta o industria ha tenido antecedentes negativos en sus registros de seguridad debido a corrosión u otras causas, el costo del seguro será mucho más alto que si un buen registro de seguridad hubiera sido mantenido.

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Incremento de Costos de Capital - Sobrediseño

Como se menciono anteriormente, el aumento de material extra en un sistema para tener mayor tolerancia a la corrosión, incrementa el costo de capital. Aquí también se incluyen los costos iniciales de otras medidas de control de corrosión, tales como recubrimientos, sistemas de protección catódica y equipos de inyección de inhibidores al sistema. 1

Limpieza de Contaminación Ambiental - Multas

Los costos de limpieza ambiental por derrame de productos se han incrementado considerablemente, debido a que se ha creado una conciencia de los efectos potenciales a corto y a largo plazo que estos derrames pueden tener en el medio ambiente. Hoy en día, la limpieza de derrames es un requerimiento legal. Aún si la compañía responsable del problema ya no es la propietaria del sistema afectado, la compañía propietaria de este sistema al tiempo del accidente o derrame puede ser responsable del costo de la limpieza. En caso de negligencia, la multa puede ser a los dueños del sistema o a los operadores del mismo. Estas multas son considerables y han excedido $1, 000,000 de dólares.

Consecuencias Indirectas de la Corrosión 1

Seguridad

La corrosión puede causar, y desafortunadamente ha causado muchos accidentes. La mayoría pudieron haberse evitado mediante la aplicación de medidas apropiadas de control de corrosión. Otras pudieron haber sido predichas y corregidas antes de lesiones a personas o pérdida de vidas. 1

Colapso Estructural

Afortunadamente, el colapso de una estructura debido a corrosión es raro, pero ocurre. Un fenómeno de corrosión asistida por esfuerzo en la varilla de acero de refuerzo del techo de concreto de una alberca, causo el colapso del mismo mientras la alberca estaba en uso. Varias personas murieron y otras quedaron lesionadas de gravedad. Curso de Corrosión Básica, Manual del Estudiante © NACE International, 2004 01/15/04

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Introducción La corrosión también puede reducir la resistencia de estructuras respecto a otras fuerzas de la naturaleza, tales como terremotos. 1

Fugas

Las fugas en líneas o sistemas de transporte de materiales tóxicos o inflamables, obviamente representan un riesgo de seguridad. El fuego y explosiones causadas por corrosión en líneas subterráneas de transporte de gas son todas frecuentes pero evitables pérdidas debidas a corrosión. Sin embargo, las fugas resultantes en incendio y explosiones son más frecuentemente ocasionadas por terceras partes más que por corrosión. 1

Contaminación del Producto

Puede afectar la seguridad, en particular si la contaminación no es detectada, o si la relevancia de esto no se toma en cuenta sino hasta después que los productos han sido consumidos. 1

Alimentos

La contaminación de alimentos debido a corrosión puede ocurrir durante producción o almacenamiento. Antes que las propiedades tóxicas del plomo fueran apreciadas, la contaminación por corrosión de soldaduras de plomo en alimentos enlatados causo muchas enfermedades y muertes. 1

Productos Farmacéuticos

La contaminación de productos farmacéuticos no solo puede causar pérdida de producto durante producción, sino también su deterioro prematuro y pérdida de potencia del material durante almacenamiento. 1

Agua

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Introducción La contaminación de agua potable por productos de corrosión en líneas de distribución y otros componentes en instalaciones públicas y domésticas es común. La contaminación puede simplemente resultar desagradable a la vista, como en el caso de “agua rojiza”, donde inofensivos niveles de hierro producto de la corrosión en tuberías de acero causan una coloración desagradable al agua y en la superficie visible de accesorios de la instalación. Altos niveles de hierro también pueden ser un riesgo a la salud. Plomo libre producto de corrosión de tuberías y soldaduras de plomo usadas antes que las instalaciones de cobre son un real y significante riesgo. Además de la eliminación de plomo mediante sustitución de materiales, el tratamiento de agua para reducir la corrosión de instalaciones de plomo y la subsecuente liberación de plomo al agua, ha tenido éxito en algunos casos. ●

Confianza del Consumidor

La corrosión puede ser relacionada con el mercado de un producto. Mejoras recientes en la resistencia a corrosión de automóviles, en particular con garantías de largo tiempo contra la corrosión es hoy en día una característica de venta mayor. Aún si la corrosión solo resulta en aspecto desagradable a la vista, un producto que tenga reputación de retener siempre un aspecto “como nuevo” tendrá siempre un mayor atractivo de ventas. 1

Pérdida de Respaldo

Donde el procesamiento o suministro continuo de un producto es requerido, sistemas de respaldo son provistos para asegurar una operación continua. Estos sistemas son usados en paralelo o bien cuando uno se requiera. En el primer caso, la corrosión en uno de los sistemas en paralelo resulta en pérdida de respaldo hasta que las reparaciones puedan ser efectuadas. En el segundo caso, la corrosión en el sistema primario causara pérdida del respaldo hasta que este sistema sea reparado. El peor escenario es el segundo caso, donde la corrosión ocurre en el sistema de respaldo y permanece sin detectar, hasta que la corrosión u otro problema requiere del uso del sistema secundario, el cual no puede cumplir su función debido al daño por corrosión que ocurrió durante el servicio de paro. Curso de Corrosión Básica, Manual del Estudiante © NACE International, 2004 01/15/04

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Apariencia

La corrosión, en particular el familiar óxido rojo de la corrosión del hierro y el acero, es desagradable a la vista, aún cuando esto no interfiera con la operación del sistema. Un esfuerzo significativo es requerido simplemente para eliminar este desagradable aspecto, solamente por beneficio estético. Esto también aplica a la industria, donde la actitud de “buen vecino” es ahora más común, y donde la apariencia de la planta puede ser de considerable valor para los accionistas. 1

Aumento en las Regulaciones

Muchos aspectos del control de la corrosión están ahora regulados. Las leyes han sido orientadas hacia donde el daño que la corrosión puede causar tiene el potencial de afectar adversamente la salud y la seguridad pública. La legislación pertinente con aspectos relacionados con corrosión respecto a la operación de ductos que transportan líquidos peligrosos o gases inflamables, es un buen ejemplo de tales regulaciones.

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Curso de Corrosión Básica Capítulo 2 Electroquímica

Electroquímica

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Bases de la Electroquímica Las bases de la Electroquímica están descritas en el libro NACE Corrosión y Su Control en las páginas 1 -22.

La Corrosión Ocurre Mediante Reacciones Electroquímicas ●

Reacciones electroquímicas Ocurren en electrolitos, los cuales son líquidos que pueden conducir una corriente eléctrica Ocurren mediante intercambio de electrones ● El intercambio de electrones en reacciones electroquímicas ocurre en sitios separados ● Los electrones fluyen a través de metal desde uno de esos sitios a otro

Definición de Términos Corrosión y Electroquímica

Usados

en

Materia Materia es cualquier cosa que ocupa un espacio. La materia puede estar en forma de un sólido, líquido o gas. La materia puede ser formada por elementos, moléculas, compuestos químicos, o mezclas.

Elemento Un elemento es una substancia que no puede ser reducida mediante reacciones químicas. Los elementos son los compuestos básicos que constituyen toda la materia. Hay 92 elementos naturales, que van desde el más ligero, el hidrógeno, al más pesado, el uranio. El hierro, el oxígeno y el oro son también elementos.

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Electroquímica

Compuesto Un compuesto es la combinación de dos o más elementos. Es una substancia pura y tiene una composición fija. Algunos ejemplos de compuestos son: -

Bióxido de Carbono – CO2 un átomo de carbono (C), y dos átomos de oxígeno (O)

-

Sal - NaCl un átomo de sodio (Na) y un átomo de Cloro (Cl)

-

Agua – H2O dos átomos de hidrógeno (H), y un átomo de oxígeno (O)

-

Oxido Férrico – Fe2O3 dos átomos de hierro (Fe) y tres átomos de oxígeno (O)

Mezcla Una mezcla es una combinación de elementos, compuestos o ambos unidos por fuerzas físicas en lugar de fuerzas químicas. Una mezcla no tiene una composición fija. El aire, por ejemplo, es aproximadamente 20% oxígeno y 78% nitrógeno, pero contiene también otras substancias, tales como el argón (1%) y cantidades variables de bióxido de carbono y vapor de agua. El suelo es una mezcla de minerales formados por elementos y compuestos, y contiene cantidades variables de esos minerales y vapor de agua. La mayoría de las rocas contiene uno o más de minerales que son en sí mismos compuestos, elementos, o mezclas.

Atomo Un átomo es la unidad química más pequeña de un elemento. Un

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Electroquímica

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átomo consiste de un núcleo rodeado de electrones. El núcleo contiene partículas positivamente cargadas llamadas protones, y todos los elementos, con la excepción del más ligero, el hidrógeno, contienen partículas neutras llamadas neutrones. Los electrones rodean el núcleo en orbitas. El número de electrones en un átomo es siempre igual al número de protones en el núcleo. Entonces, los átomos tienen una carga eléctrica neta de cero, por lo tanto son eléctricamente neutros.

Molécula Una molécula es la partícula mas pequeña de un elemento o compuesto que retiene todas las propiedades químicas de ese elemento o compuesto.

Ión Un ión es un átomo o molécula con carga. Un ión puede ser un anión (cargado negativamente) o bien u catión (cargado positivamente). Tabla 2.1 Características de Iones

Anión

Catión

● Ión negativo ● Ión positivo ● Carga neta negativa ● Carga neta positiva ● Formado por la adición de ● Formado por la pérdida de electrones electrones ● Atraído hacia el ánodo ● Atraído hacia el cátodo

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Electroquímica

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Tabla 2.2 Ejemplos de Iones

Anión

● Ión Sulfato ● Ión cloro (Cl ) ● Ión hidroxilo (OH-) (SO4=) -

Catión

● Ión ferroso (Fe++) ● Ión férrico (Fe+++) ● Ión hidrógeno (H+)

Electrolito Un electrolito es un líquido que contiene iones. Un electrolito puede conducir electricidad mediante el flujo de iones. Los aniones fluyen hacia el ánodo y los cationes fluyen hacia el cátodo. Un electrolito contiene igual cantidad de cargas dependiendo de los iones que contiene. Un electrolito puede ser altamente conductivo debido a su alto contenido de iones (agua de mar) o solo medianamente conductivo debido a su bajo contenido de iones (agua pura).

Reacciones de Oxidación/Reducción La mayoría de las reacciones de corrosión son reacciones electroquímicas, llamadas reacciones de oxidación/reducción. Estas reaccion...