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Corrosion01

  1. 1. 12 HIPÓTESIS / APUNTES CIENTÍFICOS UNIANDINOS No. 4 / Dic. 2004CorrosiónMaría Teresa Cortés M. / Pablo Ortiz H.
  2. 2. 13©TheKiechleshttp://www.kiechles.com/oddsends/desktop2/rust.jpg
  3. 3. 14 HIPÓTESIS / APUNTES CIENTÍFICOS UNIANDINOS No. 4 / Dic. 2004> CorrosiónMaría Teresa Cortés M. / Pablo Ortiz H.La corrosión es un fenómeno espontáneo que se presentaprácticamente en todos los materiales procesados por elhombre. Si bien existen varias definiciones, es común des-cribir la corrosión como una oxidación acelerada y conti-nua que desgasta, deteriora y que incluso puede afectar laintegridad física de los objetos o estructuras. La industriade la corrosión, si por ello entendemos todos los recursosdestinados a estudiarla y prevenirla, mueve anualmentemiles de millones de dólares. Este fenómeno tiene impli-caciones industriales muy importantes; la degradación delos materiales provoca interrupciones en actividadesfabriles, pérdida de productos, contaminación ambiental,reducción en la eficiencia de los procesos, mantenimien-tos y sobrediseños costosos. Se estima que los gastosatribuidos a los daños por corrosión representan entre el3 y el 5 por ciento del producto interno bruto de los paísesindustrializados; solamente hablando del acero, de cadadiez toneladas fabricadas por año se pierden dos y mediapor corrosión [1]. Por esta razón, cada día se desarrollannuevos recubrimientos, se mejoran los diseños de las es-tructuras, se crean nuevos materiales, se sintetizan mejo-res inhibidores, se optimizan los sistemas de monitoreo.Todo esto en un esfuerzo permanente por minimizar elimpacto negativo de la corrosión.Naturaleza electroquímica de la corrosiónLa corrosión es un fenómeno de naturaleza electroquími-ca que cumple con las características fundamentales deuna pila o batería. Para que se forme una celda electro-química, o celda de corrosión, se requiere la presenciade un material que cede electrones en contacto con otroque los acepta, y de un medio conductor de iones. Elmaterial que pierde electrones se conoce como ánodo yes el que experimenta la reacción de oxidación, mientrasque el material que acepta los electrones se reduce y sele llama cátodo; el medio en el que se encuentran elánodo y el cátodo y que permite el flujo de iones seconoce como electrolito. La oxidación, a pesar de la eti-mología de la palabra, no necesariamente involucra el oxí-geno; la definición química es una pérdida de electrones.El mecanismo de la corrosión puede ilustrarse a travésde un material metálico inmerso en una solución de HCl–ácido clorhídrico–. En el caso del zinc, los átomos metá-licos Zn ceden electrones convirtiéndose en cationes (Zn++)mientras que los iones H+aceptan estos electrones for-mando moléculas de H2(figura 1). Las reacciones involu-cradas son la disolución del zinc para formar ZnCl2y laproducción de gas H2[2].Reacción anódica: Zn → Zn+2+ 2e-Reacción catódica: 2H++ 2e-→ H2Reacción neta: Zn + 2HCl → ZnCl2+ H2Todos los metales presentan una tendencia a perder elec-trones –oxidarse– cuantificada a través de su potencial deoxidación. Entre más alto sea este potencial se dice que elmetal es más noble –se oxida con mayor dificultad–. Latabulación de la resistencia de los materiales metálicos ala corrosión se conoce como serie galvánica. Las seriesgalvánicas son particulares al medio corrosivo –por ejem-plo, hay series galvánicas en solución salina, en soluciónácida, etc. –, y son de gran utilidad a la hora de seleccio-nar un material para una aplicación específica.La corrosión se suele clasificar de acuerdo a la forma enque se manifiesta, es decir, a la apariencia del materialcorroído (figura 2). La corrosión uniforme es la más co-mún y la que genera mayores pérdidas de material. Sinembargo, al ser de tipo superficial es también la másfácil de controlar y por tanto la que menos accidentesprovoca. Por otro lado, la corrosión por picaduras es unfenómeno localizado que se manifiesta por anomalías quecrecen rápidamente hacia el interior del material y quepueden generar daños catastróficos.Existen otros tipos de corrosión y la figura 2 esquemati-za algunos de ellos. El desarrollo de un mecanismo de-Figura 1.Esquema de la corrosión de un metal, Zn, que se oxida a Zn+2mientras que suselectrones reaccionan con el H+del medio produciendo H2
  4. 4. 15terminado se relaciona con la naturaleza del ambientecorrosivo y con las características composicionales ymicroestructurales del material [1]. Todos estos facto-res, incluyendo la selección de los materiales, deberánser tenidos en cuenta al diseñar el método de proteccióndel sistema.Por ejemplo, la corrosión galvánica se presenta por elcontacto entre dos metales con potenciales de oxidacióndiferentes. El material menos noble –con menor poten-cial de oxidación– tenderá a corroerse. Esto lo vemosmuy a menudo en algunos tornillos que remachan es-tructuras bastante más nobles que ellos. Por otro lado,la corrosión intergranular está directamente relacionadacon la microestructura del material. Los metales o alea-ciones están formados por granos; en este tipo de co-rrosión se presenta un ataque localizado en las fronterasde grano y está generalmente asociado a impurezas quetienden a acumularse en dichas fronteras.Métodos de protección contra la corrosiónLa batalla contra la corrosión de los materiales se desa-rrolla en el campo de la termodinámica, y por eso es unabatalla que está perdida. El hombre solamente puede pro-longar la vida útil de sus herramientas y estructuras, pue-de aliarse con la cinética y hacer creer que existen losaceros inoxidables, las pinturas anticorrosivas y los in-hibidores de corrosión. Para entender las dificultadesimplícitas y lo efímero que resulta cualquier método deprotección contra la corrosión es necesario conocer pri-mero el grado de estabilidad del material que se preten-de proteger.La figura 3 muestra las energías de oxidación de variosmateriales y elementos a 273˚K (0°C) y bajo una atmós-fera de oxígeno. En términos prácticos el orden de es-tabilidad expuesto en la tabla se mantiene para las con-diciones presentes en la superficie del planeta. De estemodo, si nos fijamos en los metales, el único elementoestable es el oro mientras que todos los demás tenderána oxidarse. El cobre y la plata reaccionan con el aire, perolo hacen de manera moderada y lenta, y por eso su ob-tención en altos niveles de pureza es una tarea relativa-mente sencilla. Es esta característica la que explica queestos hayan sido los primeros metales en ser descubier-tos y trabajados. El hierro en cambio no estaba disponi-ble en la naturaleza –a excepción de aquel milagrosamentecaído del cielo en los meteoritos–, y el hombre tuvo queextraerlo de los minerales, estos sí, abundantes y esta-bles. Hornos especiales que garantizaban altas tempera-turas permitieron la reducción de los óxidos de hierro.Sin embargo, la naturaleza ha demostrado desde hacetres mil años que la energía invertida en los procesos deobtención del hierro o el acero, se degrada rápidamentecon la consecuencia de que los objetos fabricados retor-nan inexorablemente a sus minerales originales. El hie-rro es el elemento de la primera Revolución Industrial ysigue siendo el que mayor trascendencia tiene enel sector productivo de la sociedad. La corrosiónes pues un fenómeno ligado históricamente a losmateriales ferrosos, y es protegiéndolos o reem-plazándolos, que el hombre ha logrado reducir suimpacto económico.Desde un punto de vista técnico los problemas dela corrosión se pueden enfrentar utilizando mate-riales de gran resistencia. El oro y el cobre lo sonpero su costo y su baja tenacidad los hacen inade-cuados para muchas aplicaciones industriales. Lacombinación del cobre con el estaño o con el zinc,aleaciones llamadas bronce y latón respectivamen-te, tienen mejor desempeño mecánico y mantie-nen una buena resistencia frente a la oxidación porlo que su diversificación ha sido mucho más im-portante. Pero es el aluminio el material más utilizadodespués del acero. Es liviano y de elevada resistencia ala corrosión y ha incursionado en el sector de los trans-portes y de la construcción, entre otros. El titanio por suparte es uno de los materiales más completos: es dosveces menos denso que el hierro y su resistencia mecá-nica y química son excelentes. Debido a su alto costosus aplicaciones se limitan a sectores muy especializa-dos como la industria aeroespacial, el sector biomédico–donde se destaca en la fabricación de prótesis–, y enaplicaciones submarinas gracias a su altísima resisten-cia frente a la corrosión del agua de mar.No obstante, la figura 3 indica que la estabilidad del alu-minio y el titanio ante el oxígeno es varias veces menorFigura 2.Algunos de los tipos de corrosión más comunespor influencia del medio, la estructura y composición del metal [1]
  5. 5. 16 HIPÓTESIS / APUNTES CIENTÍFICOS UNIANDINOS No. 4 / Dic. 2004que la del hierro. ¿Cómo puede afirmarse entonces queson más resistentes a la corrosión? La respuesta es quela tendencia de estos elementos a formar óxidos es tangrande que ellos se desarrollan instantáneamente en lasuperficie formando capas muy delgadas que sellan lite-ralmente el material. A diferencia de los óxidos de hierro,los de aluminio y titanio están firmemente cohesionadosa la pieza, no son porosos y prácticamente no se fractu-ran: este comportamiento garantiza uno de los sistemasespontáneos de protección más eficientes contra la co-rrosión. Es este mismo mecanismo el que ha permitidoobtener aceros especiales de gran resistencia química. Enefecto, mediante adiciones de cromo superiores a un 12por ciento en peso, se fabrican los llamados aceros inoxi-dables: el cromo migra a la superficie para combinarsecon el oxígeno formando una fina capa protectora ultra-delgada que no se detecta a simple vista. Las aplicacionesde estos aceros son muy variadas y sin duda son los ma-teriales metálicos con los que el hombre ha logrado, has-ta el momento, el mejor balance entre costo, propiedadesmecánicas y resistencia a la corrosión.La protección superficial de los materiales también sepuede alcanzar artificialmente mediante la aplicación derecubrimientos. La deposición de capas metálicas o eluso de pinturas anticorrosivas, son métodos que pro-longan la integridad de los aceros corrientes e incluso lade materiales más resistentes. Es importante destacar elenorme desarrollo en el campo de los recubrimientosorgánicos y la amplia gama de productos disponiblescon propiedades y capacidades de protección muy es-pecíficas (figura 4). Los recubrimientos actúan como unabarrera frente a la difusión de los agentes oxidantes, ais-lando el metal y evitando su acumulación sobre la su-perficie. Sin embargo, las pinturas se degradan, tambiénsufren procesos de oxidación y es usual que requieran,quizás con más frecuencia que otros métodos, planesde inspección y mantenimiento.Cualquier esquema de protección contra la corrosióndebe interferir, o modificar, el funcionamiento de la cel-da electroquímica descrita en la primera parte de estedocumento. Los métodos mencionados anteriormentelo hacen básicamente evitando la formación de un elec-Figura 3.Energías de oxidación de diferentes metales y materiales compuestos a 273°K ybajo atmósfera de oxígeno [3]. Energías más pequeñas indican mayor tendencia delmaterial al reaccionar con el oxígeno
  6. 6. 17Figura 4.Probeta metálica sobre la cual se realiza la evaluación de unrecubrimiento anticorrosivo de acuerdo a normas estandarizadashttp://www.corrosion.ksc.nasa.govFigura 5.Foto del accidente de un boeing 737 de la aerolínea Alohacomo consecuencia de la corrosión en su fuselaje [4]http://www.corrosion-doctors.orgtrolito sobre el material. En sistemas cerrados donde elambiente corrosivo no se renueva, o lo hace muy lenta-mente, se han empleado inhibidores químicos, produc-tos que se disuelven en el medio, lo modifican y reducenlas velocidades de corrosión. Otros métodos interfierendirectamente con la distribución de cargas en el material.La protección catódica por ejemplo, se refiere al empleode una corriente proveniente de una fuente externa quese opone a la corriente de corrosión en las áreas anódicasde la estructura metálica sumergida en un medio con-ductor. En este caso toda la estructura se comporta comouna zona catódica y los electrones no provienen del me-tal –lo que causaría la corrosión– sino de la fuente exter-na. Sólo los sistemas enterrados o inmersos pueden serprotegidos de esta manera gracias a la existencia de unmedio más o menos conductor, requisito para lograr ladistribución homogénea de los potenciales.Algunos casos famososEs fundamental documentar todos aquellos casos dedaños por corrosión no previstos que de algún modose consideren especiales. Los científicos e ingenierosconsultan frecuentemente estos archivos buscandoaprender de las experiencias previas de forma tal quelos costos de investigación y los riesgos en futuros pro-yectos puedan ser minimizados. A continuación se des-cribirán algunos ejemplos.El accidente de AlohaEl 28 de abril de 1988 un boeing 737 de la aerolíneahawaiana Aloha con diecinueve años de uso, sufrió laruptura de gran parte de su fuselaje a 24.000 pies dealtura (figura 5) [1]. En un hecho sin precedentes, el pi-loto logró aterrizar en una isla evitando una catástrofede proporciones mayúsculas. La investigación demos-tró que los productos de corrosión generados en los re-maches que unen las láminas del fuselaje provocaron laruptura de los mismos. El daño se genera en este casopor la filtración y estancamiento de agua entre las juntas–corrosión por hendiduras–. El accidente de Aloha y losresultados de la investigación marcaron un punto de in-flexión en la historia de la industria aeronáutica, tantodesde el punto de vista del diseño como de los planes demantenimiento de las aeronaves.Mareas negrasAmoco Cádiz, Exxon Valdez, Braer, Erika, Prestige, sonsólo una parte de una extensa y negra lista de petroleroshundidos. Los vertimientos de crudo de varios de ellos hantenido un impacto ambiental devastador, desestabilizandoecosistemas que han tardado decenas de años en recupe-rarse. Si bien algunas de estas catástrofes se deben aerrores humanos, la mayoría están relacionadas con elataque de la corrosión en los cascos y con programasde mantenimiento deficientes. En 1999 la tragedia delErika ocasionó la contaminación de 400 kilómetros deplayas en la costa Bretona. Tres años más tarde el Prestigevierte 15 mil toneladas de crudo en el mar Cantábrico yse hunde con otras 60 mil en sus depósitos (figura 6).Estos dos últimos accidentes han provocado cambiosradicales en la legislación europea de transporte maríti-mo. Algunas de las medidas restringen directamente lacirculación de los viejos buques monocasco y estable-cen una normatividad conducente a reemplazar la totali-dad de la flota por petroleros de doble casco. Se hanexigido métodos de protección contra la corrosión máseficaces y, en el caso de los nuevos buques, materialesmás resistentes. Vale la pena destacar el impulso impor-tante que estos accidentes han dado al desarrollo de nue-vas y más eficientes tecnologías de inspección.
  7. 7. 18 HIPÓTESIS / APUNTES CIENTÍFICOS UNIANDINOS No. 4 / Dic. 2004Figura 6.Derrame del Prestige en la costa Gallega.Foto Lavandeira jr.http://www.sz.eur-frankfurt-o.de/homepages/lectorate/spanisch> Referencias[1] H. H. Uhlig. Uhlig’s Corrosion Handbook 2daed. (ed.R. W. Revie) (John Wiley & Sons, Londres, 2000).[2] M. G. Fontana & N. D. Greene. CorrosionEngineering (McGraw-Hill, Nueva York, 1967).[3] M. F. Ashby & D.R.H. Jones. Engineering Materials(Butterworth-Heinemann. Boston, 2000).[4] Corrosion Doctors. Galvanic Tablehttp://www.corrosion-doctors.org/Aircraft/galvseri-table.htm (Kingston Technical Software Co., 2004).> Enlaces recomendadoshttp://www.corrosion-doctors.org/http://www.corrosioncost.com/> Reseña de los autoresMaría Teresa Cortés M.marcorte@uniandes.edu.coQuímica de la Universidad Industrial de Santander ydoctora en Ciencias Químicas, Universidad del PaísVasco. Actualmente ejerce como profesora asistentedel Departamento de Química de la Universidad de losAndes. Sus áreas de interés son la síntesis ycaracterización electroquímica de películas depolímeros conductores conjugados.Pablo Ortiz H.pabloortiz@cable.net.coIngeniero Químico, Universidad Nacional, DEA enciencia de materiales de la Escuela Nacional Superiorde Química de Toulouse, y doctor en IngenieríaIndustrial, Universidad de Navarra. Actualmente ejercecomo investigador en la Corporación para laInvestigación de la Corrosión.ConclusiónEl estudio de la corrosión y de los métodos para su pre-vención requiere de esfuerzos multidisciplinares. El “fac-tor corrosión” es fundamental en el proceso de selecciónde materiales y diseño de las estructuras. Son múltipleslos sistemas de protección existentes y la experiencia hademostrado que muchas veces la solución óptima se al-canza integrando varios de ellos.Grupos de investigación en corrosión en ColombiaCorporación para la Investigación de la Corrosión, CIC,Guatiguará. Sede de la Universidad Industrial de Santander,Piedecuesta, Santander.http://corrosion.uis.edu.coGrupo de Investigación en Corrosión, GICFacultad de Ingeniería, Universidad Industrial de Santander,Sede Guatiguará, Piedecuesta, Santander.http://uis.edu.coInstituto Colombiano del Petróleo, ICPPiedecuesta, Santander.http://www.icp.ecopetrol.com.co/Grupo de Protección y Corrosiónde la Universidad de AntioquiaMedellín, Antioquia.http://jaibana.udea.edu.co/grupos/corrosion/Grupo de Superficie Electroquímica y Corrosión, GSEC,Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia.Tunja, Boyacá.www.uptc.edu.co/gsec

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