VII. CORROSI�N EN SUELOS
EL TERRENO o suelo por su contenido variable de humedad, sales y materia org�nica en descomposici�n es el electrolito m�s complejo de todos los que se pueden encontrar.
Por necesidades mec�nicas, econ�micas y de seguridad, la industria tiene que apoyar sobre �l y enterrar numerosas y muy variadas estructuras de acero, las cuales se ven sometidas a un proceso de corrosi�n que en algunos casos puede ser complicado.
Para tener un buen control de la corrosi�n de estas estructuras se han de combinar los dos tipos de protecci�n a nuestro alcance: un buen recubrimiento pasivo, complementado por un sistema de protecci�n cat�dica adecuado. Confiar la protecci�n anticorrosiva de una estructura enterrada solamente a la protecci�n cat�dica, puede hacerse, pero ser� siempre antiecon�mico si la estructura no es de dimensiones peque�as.
El suelo generalmente es un medio heterog�neo en donde se dan muchas variaciones en la velocidad de corrosi�n de los metales. Un suelo natural contiene los siguientes elementos: arena, arcilla, cal y humus. Estos componentes pueden estar mezclados en el suelo en diferentes proporciones que dar�n lugar a distintos grados de agresividad.
Por lo general, los suelos arenosos, margo-arenosos, margo-calc�reos y calc�reos no son agresivos; los suelos arcillosos en algunas condiciones son agresivos. Los que son agresivos de por s� son las turbas, los humus libres de cal y tambi�n los suelos cenagosos y de aluvi�n.
Los suelos artificiales, esto es los formados por escorias y basuras, elementos en putrefacci�n y residuos humanos e industriales tambi�n son agresivos.
CAUSAS DE CORROSI�N EN TUBER�AS ENTERRADAS. ESTUDIO DE LA AGRESIVIDAD DEL SUELO. CORROSI�N ANAEROBIA
Si el ox�geno atmosf�rico no puede penetrar el suelo, es frecuente el caso en suelos arcillosos o turbosos, el hidr�geno producido a consecuencia de la reacci�n cat�dica en la estructura enterrada puede llegar a ser eliminado (oxidado) por una acci�n microbiana. Este proceso es el resultado de la actividad metab�lica de un microorganismo (la bacteria Sporovibrio desulfuricans) que se desarrolla en ausencia completa de ox�geno libre (condiciones anaerobias).
Para oxidar el hidr�geno de estos medios nutritivos org�nicos, esta bacteria no utiliza el ox�geno libre, sino el ion sulfato (SO 2- 4), reduci�ndolo a sulfuro (S2-) Uno de los mecanismos m�s com�nmente aceptados para explicar lo anterior es el siguiente:
4 Fe 4
Fe 2+ + 8 e- |
|
| 8 H+
+ 8e- 8
H |
|
| S0 2- 4
+8 H S2-
+4 H2O |
|
| Fe2+ + S2-
FeS |
} producto de corrosión |
| 3 Fe 2+ +
6 OH- 3
Fe(OH)2 |
El resultado neto es que la corrosi�n contin�a y se denomina corrosi�n anaerobia. Los s�ntomas caracter�sticos en las conducciones met�licas enterradas son el ennegrecimiento local del suelo por la formaci�n del sulfuro de hierro y a veces el olor a �cido sulfh�drico.
AGRESIVIDAD DEL SUELO EN FUNCI�N DE SU RESISTIVIDAD, pH Y POTENCIAL R�DOX
La velocidad de corrosi�n est� ligada a la resistividad del terreno de la forma que se se�ala en el cuadro 23.
CUADRO 23. Grado de agresividad del suelo en funci�n de la resistividad
La resistividad de un terreno depende, en particular, de su estructura, de las dimensiones de sus part�culas constituyentes, de su porosidad y permeabilidad, del contenido de agua (humedad) y de su contenido de iones.
Por ejemplo, en lo que se refiere a un suelo arcilloso, con un 5% de humedad, dicho suelo puede presentar una resistividad de 10 000 ohm-m, en cambio, con un 20% de humedad, la resistividad disminuye hasta 100 ohm-m.
Es obvio, por tanto, que la resistividad de un terreno y especialmente la de los estratos superiores, puede variar notablemente con las estaciones del a�o, la precipitaci�n pluvial, la actividad agr�cola e industrial, etc�tera.
En cambio, la temperatura no ejerce una influencia tan marcada, a menos que supere el punto de congelaci�n, despu�s de lo cual hay un aumento significativo de la resistividad.
En lo que se refiere a la acidez, los suelos muy �cidos (pH <5.5) pueden motivar una r�pida corrosi�n del metal desnudo, y la agresividad del suelo aumenta con el incremento de la acidez (disminuci�n del pH), pero estos valores de pH no son normales. La mayor parte de los suelos tienen pH comprendidos entre 5.0 y 8.0, en cuyo caso la corrosi�n depende de otros factores. En suelos alcalinos parece existir una cierta correlaci�n entre conductividad y agresividad.
En un medio anaerobio es posible predecir la corrosi�n midiendo el pH y el potencial r�dox. Estas medidas permiten establecer las condiciones que favorecen la actividad microbiol�gica responsable de la corrosi�n anaerobia. El pH m�s favorable es entre 5.5 y 8.5 (neutro). En estas condiciones, la medida del potencial r�dox efectuada con un electrodo de platino, permite establecer si un terreno est� predispuesto al crecimiento de bacterias sulfatoreductoras.
Bas�ndose en los datos reportados en el cuadro 24, es posible determinar la agresividad potencial de un suelo desde el punto de vista del crecimiento de bacterias sulfato-reductoras, lo cual permite establecer una clasificaci�n de los suelos. Por ejemplo, un suelo cuyo contenido en sulfatos sea apreciable y su potencial r�dox est� alrededor de +200 mV est� en condiciones favorables para que esta corrosi�n pueda tener efecto. Si en otro terreno se obtiene un valor del potencial r�dox de +400 mV, es posible excluir la posibilidad del crecimiento y desarrollo de bacterias anaerobias. Naturalmente existe la posibilidad de que se desarrollen otras familias de bacterias.
Un grupo de bacterias aerobias particularmente da�inas son los tiobacilos (Ferrobacillus ferrooxidans, que son capaces de oxidar el azufre y los sulfuros para convertirlos en �cido sulf�rico.
En el cuadro 25 se presentan unos �ndices que permiten determinar las caracter�sticas agresivas de un suelo bas�ndose en el contenido de aniones del mismo, cloruros, sulfatos y sulfuros, pH, potencial r�dox y resistividad. Este tipo de informaci�n resulta de inter�s para predecir la agresividad de un suelo frente a, por ejemplo, una tuber�a enterrada y con base en esto, evaluar la corrosi�n y la protecci�n correspondiente.
CORROSI�N POR AIREACI�N DIFERENCIAL
En cualquier electrolito que se pueda pensar que sea homog�neo existen frecuentemente diferencias en la concentraci�n de aire disuelto. Esta es una causa de corrosi�n puesta en evidencia por Evans (llamada aireaci�n diferencial o efecto Evans). Si una tuber�a met�lica se encuentra en un terreno donde exista una concentraci�n diferente de ox�geno, la parte menos oxigenada ser� la zona an�dica y por tanto ser� la que sufrir� los efectos de la corrosi�n.
Este fen�meno se ver� agravado si la tuber�a, a partir de una cierta longitud, atraviesa terrenos de naturaleza diferente, ya que puede ser muy distinta la permeabilidad al aire en cada uno de sus componentes y por tanto mayores sus diferencias en la concentraci�n de ox�geno (Figura 37).
Figura 37. Corrosi�n por aireaci�n diferencial. Corrosi�n de una tuber�a que atraviesa terrenos de naturaleza diferencial.
Este tipo de corrosi�n tiene lugar cuando se ponen en contacto dos metales diferentes. A veces ocurre que de un conducto principal de acero se sacan conductos derivados en cobre o acero galvanizado; en el primer caso se atacara el acero y en el segundo se disolver� el Zn (del galvanizado) (Figura 38 (a) y (b).
Figura. 38. (a) Corrosi�n de una conducci�n principal de acero por la conexi�n de una derivaci�n de cobre. (b) Disoluci�n del zinc de una tuber�a de acero galvanizado que ha sido conectada a una conducci�n principal de acero.
Se puede incluir en este tipo de corrosi�n el caso de la asociaci�n de un conducto viejo (oxidado) con uno nuevo. El metal oxidado (pasivado) es siempre m�s noble que el metal nuevo, ya que tiene un potencial m�s elevado; por tanto, este �ltimo sufrir� los efectos de la corrosi�n.
Hay que se�alar, desde el punto de vista pr�ctico, que este fen�meno es v�lido para metales tan parecidos como el acero y la fundici�n. Un caso frecuente en los explotadores de canalizaciones enterradas es el de la corrosi�n de los tornillos de acero de uni�n de las bridas de los tubos de fundici�n.
Con el t�rmino corrientes vagabundas o par�sitas se designa a aquellas corrientes el�ctricas que circulan en el suelo fuera de los circuitos previstos. La intensidad de estas corrientes con frecuencia es variable y depende esencialmente de la naturaleza y funcionamiento de la fuente que las emite: tracci�n el�ctrica, subestaciones, etc�tera.
La corriente el�ctrica busca siempre recorridos de menor resistencia y por esta raz�n sigue con facilidad las canalizaciones met�licas enterradas y en particular las envolturas met�licas de los cables el�ctricos y telef�nicos.
La corrosi�n se produce siempre en los lugares en donde la corriente sale de la estructura que ha recorrido, provocando una disoluci�n an�dica tanto m�s peligrosa cuanto m�s localizada est�.
La figura 39 ilustra el mecanismo de la corrosi�n de una tuber�a motivada por la acci�n de corrientes vagabundas que provienen de un sistema de tracci�n el�ctrica.
Figura 39. Mecanismo de corrosi�n de una tuber�a por efecto de las corrientes vagabundas que provienen de un sistema de tracci�n el�ctrica.
MEDICI�N DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO
Para determinar si puede utilizarse la protecci�n cat�dica para prevenir la corrosi�n de una estructura enterrada, se debe conocer, en primer lugar, c�mo medir la resistividad del suelo o terreno.
Unidades de resistividad del suelo
La unidad de resistividad del suelo es el ohm-cent�metro (W-cm). La resistividad de un suelo determinado es igual num�ricamente a la resistencia que ofrece el terreno contenido en un cubo de 1 cm de arista, que se mide entre las caras opuestas del cubo (v�ase la figura 40).
Figura 40. (a) La resistividad ( ) en W-cm es num�ricamente igual que la resistencia (R) en ohms en un cubo de un cm de arista. (b) Resistencia de un s�lido rectangular. (c) Caja de suelo.
La resistencia de un s�lido rectangular est� dada por:
en donde W, L y D son las dimensiones (en cm), como se ve en la figura 40, y p es la resistividad (en W cm) para que las unidades sean consistentes. La resistencia entre dos terminales de forma y tama�o cualquiera, en contacto con un terreno, est� determinada por la relaci�n entre el tama�o y la distancia entre las terminales y por la resistividad del suelo. En casos sencillos se puede determinar la resistencia, pero la complejidad matem�tica a menudo es muy grande.
Determinaci�n de la resistividad por el m�todo de los cuatro electrodos
En la pr�ctica de la ingenier�a de la corrosi�n se requiere medir la resistividad de grandes extensiones y a menudo, a una cierta profundidad. Para ello se utiliza el m�todo de Wenner, m�s conocido como m�todo de los 4 electrodos. El circuito b�sico se presenta en la figura 41.
Figura 41. Medici�n de la resistividad del suelo por el m�todo de Wenner o de los cuatro electrodos. La distancia (b) o sea la profundidad a la que est� enterrada el electrodo (barra de cobre o acero) debe ser peque�a comparada con la distancia (a) entre los electrodos.
La resistividad se determina a partir de: 
La medida que se obtiene es un valor promedio a una profundidad aproximadamente igual que el espaciado entre los electrodos. Es costumbre efectuar las mediciones de resistividad con un espaciado entre electrodos previamente establecido. As�, con espaciados de 5 pies 2 1/2 pulgadas, 10 pies 5 pulgadas y 20 pies 10 pulgadas, el producto 2 pa respectivamente toma los valores de 1 000, 2 000 y 4 000, lo que facilita el c�lculo.
Los detalles de la operaci�n var�an de acuerdo con el instrumento particular empleado, pero el principio es com�n a todos. Se entierran cuatro varillas de cobre equiespaciadas, y se conectan las dos externas (C1 y C2 en la figura 41) a las terminales de la fuente de corriente, y las dos internas (P1 y P2 de la misma figura) a un medidor potencial (volt�metro). N�tese que se mide la resistencia entre las dos varillas internas o electrodos de potencial; las dos varillas externas sirven para introducir corriente en el suelo.
El valor obtenido corresponde a la resistividad promedio a una profundidad aproximadamente igual al espaciado entre los electrodos.
La presencia de estructuras met�licas enterradas puede alterar los resultados de la medici�n. En este caso se aconseja realizar el alineamiento de los cuatro electrodos perpendicularmente a la estructura enterrada (Figura 42).
Figura 42. Disposici�n correcta de los cuatro electrodos para la medida de la resistividad en presencia de una tuber�a enterrada.
La investigaci�n de la resistividad de un suelo consiste, por lo general, en una serie de medidas tomadas a lo largo de un l�nea, y se utiliza normalmente el m�todo de los cuatro electrodos. Las lecturas deben tomarse de acuerdo con un procedimiento sistem�tico. Un m�todo recomendable seguir�a los siguientes pasos:
1) Deben efectuarse lecturas al menos cada 400 pies (1 pie = 12 cm).
2) Deben realizarse medidas donde exista un cambio visible en las caracter�sticas del suelo.
3) Dos lecturas sucesivas no deben diferir por m�s de 2:1. Cuando una lectura difiere de la precedente por mayor cantidad que la relaci�n anterior, es necesario volver atr�s y rehacer la lectura; esto debe repetirse hasta que se cumpla con la condici�n.
4) Como una excepci�n a la regla anterior, no ser� necesario tomar 2 lecturas a distancias menores de 25 pies.
5) Como otra excepci�n a la regla, �sta no debe aplicarse cuando el valor m�s bajo de las dos lecturas es mayor que 20 000 W-cm.
Para este tipo de investigaciones deben efectuarse mediciones de la resistividad del suelo a la profundidad a la cual va a estar enterrada la tuber�a. El m�todo de los cuatro electrodos debe emplearse con un espaciado entre varillas de aproximadamente una vez y media la profundidad de la tuber�a. Muy a menudo, se escoge un espaciado de 5 pies 2 pulgadas y media para este prop�sito (lo cual supone que el producto 2pa es igual a 1000).
Los resultados obtenidos por este procedimiento se grafican en un diagrama que represente la longitud de la l�nea ( figura 43). La escala de resistividad es logar�tmica, ya que es m�s importante la relaci�n de resistividades que sus diferencias. A partir de estos diagramas se pueden localizar f�cilmente los "puntos calientes" o sea las �reas de mayor corrosividad del suelo.
Figura 43. Perfil de resistividad de un suelo. Las mediciones de resistividad se colocan en el eje de ordenadas (utilizando una escala logar�tmica y las distancias a lo largo de la tuber�a, en el eje de abscisas (escala m�trica).
PROTECCI�N CAT�DICA DE TUBER�AS ENTERRADAS
Protecci�n con �nodos de sacrificio
Se une el�ctricamente la tuber�a de hierro al �nodo galv�nico, generalmente Zn o Mg. Un esquema simple de montaje est� representado en la figura 44. La distancia m�nima entre el �nodo y la tuber�a debe ser de 3 metros y deben utilizarse cables de conexi�n de bastante grosor para evitar las ca�das de tensi�n. Hay que cuidar tambi�n muy particularmente la uni�n del cable con el alma de acero del �nodo. Este cable debe de estar siempre bien aislado evitando un consumo innecesario de corriente para lograr su protecci�n.
Figura 44. Esquema del montaje de un sistema de protecci�n cat�dica de una tuber�a enterrada con un �nodo de sacrificio.
Cuando los �nodos est�n en contacto directo con el suelo, se recubren con frecuencia de una capa muy resistente. Esta capa ocasiona un aumento sensible de la resistencia de los �nodos con tendencia a pasivarlos, hasta el punto de hacerlos inoperantes. Para remediar la influencia desfavorable de estos factores sobre el proceso de disoluci�n de los �nodos de sacrificio, se coloca a su alrededor un medio qu�mico artificial. Este medio qu�mico, que podemos llamar "activador" (v�ase la figura 44), es m�s conocido en la terminolog�a de la ingenier�a de la corrosi�n por la palabra inglesa "backfill", y debe ejercer tres funciones principales:
1) Reducir la resistencia de contacto �nodo-suelo.
2) Estabilizar el potencial del �nodo, evitar la polarizaci�n y asegurar una fuente segura de corriente.
3) Mejorar el rendimiento, disminuyendo la corrosi�n espont�nea y consiguiendo un ataque del �nodo uniforme.
Numerosos productos qu�micos han sido utilizados en la composici�n del "activador o backfill", como por ejemplo la arcilla ordinaria, la bentonita, el sulfato de calcio, la cal, el hidr�xido de sodio, el dicromato de sodio, el cloruro de sodio, el sulfato de sodio, el de magnesio, etc. Los activadores a veces est�n constituidos por un solo compuesto, pero lo m�s frecuente es que sean mezclas binarias o ternarias. Entre los productos citados, el yeso y la bentonita son los de uso m�s corriente, ya que permiten preparar activadores muy eficaces, posiblemente en virtud de su propiedad de retener el agua.
El empleo de la mezcla formada por arcilla y yeso para los �nodos de Zn permite obtener un rendimiento elevado . En la pr�ctica, las mezclas de yeso y arcilla se realizan en las siguientes proporciones:
Protecci�n con corriente impresa
En este caso, se obtiene la protecci�n de la tuber�a conect�ndola al polo negativo de una fuente de alimentaci�n de corriente continua. El polo positivo (�nodo) est� constituido generalmente por grafito, aleaciones de plomo o aleaci�n de hierro y silicio. La corriente que sale del �nodo llega a la tuber�a que se trata de proteger seg�n el esquema de la figura 45.
Figura 45. Sentido de la corriente de un sistema de protecci�n cat�dica con corriente impresa de una tuber�a.
Normalmente las tuber�as, adem�s de la protecci�n cat�dica, llevan un sistema de protecci�n a base de sustancias bituminosas de 3 a 6 mm de espesor, lo que les proporciona un buen aislamiento. Tambi�n se utilizan mucho para este fin las bandas adhesivas de cloruro de polivinilo (PVC). En el cuadro 26 se dan algunos valores para la protecci�n de una tuber�a en funci�n de la resistencia del revestimiento y del di�metro del conducto.
CUADRO 26. Densidad de corriente necesaria (en mA/km), para la protecci�n
de una tuber�a enterrada en funci�n de la resistencia del revestimiento y del
di�metro del conducto.
Tal como se ha indicado en la figura 45, para que el reparto de corriente sea bueno los �nodos deben estar lo m�s lejos posible del conducto; se recomienda una distancia m�nima de 50 metros.
En determinados casos o cuando se crea oportuno, los �nodos pueden ir en un lecho de bentonita o polvo de coque; esto crea un medio homog�neo, h�medo y de baja resistividad alrededor del �nodo, con lo que aumenta su di�metro aparente.
Como ya se ha se�alado, el potencial al que hay que llevar la tuber�a es de -0.85 V con respecto al electrodo de referencia de Cu/CuSO4 saturado.
MEDICI�N DEL POTENCIAL DE UNA ESTRUCTURA ENTERRADA
La medici�n se realiza con ayuda de un electrodo de referencia de Cu/CuSO4 saturado y un volt�metro de alta impedancia de entrada.
Figura 46. Posiciones del electrodo de referencia en la medida de potencial de una estructura enterrada (potencial tuber�a-suelo).
El valor del potencial medido depende de la posici�n en que se sit�a el electrodo de referencia con respecto a la estructura. Por ejemplo, en la figura 46 se presenta el caso de una tuber�a protegida cat�dicamente, en la cual el electrodo de referencia se coloca en las siguientes posiciones:
1) En un punto del terreno sobre la vertical de la tuber�a (Ec).
2) En un punto del terreno suficientemente alejado de la tuber�a y del �nodo,
de modo que el valor medido sea constante (Eremoto).
3) En un punto del terreno intermedio entre los puntos 1 y 2.
4) En un punto del terreno sobre la vertical del �nodo (Ea).
5) En un punto del terreno intermedio entre los puntos 2 y 4.
Cuando el electrodo se sit�a en las posiciones 1 y 4, los potenciales respectivos
de la tuber�a y del �nodo corresponden a Ec y
Ea, en la figura 47. Cuando el electrodo de referencia
se sit�a en el punto 3, el potencial de la tuber�a (Ec )
es siempre m�s negativo que Ec, tanto m�s cuanto
mayor es la distancia del punto 3 a la tuber�a (Figura 47). La diferencia (Ec,
del punto 3 - Ec) corresponde a la ca�da
�hmica entre los puntos 3 y 1.
Figura 47. Variaci�n del potencial de la tuber�a y del �nodo con la situaci�n del electrodo de referencia.
El potencial del �nodo con el electrodo de referencia en el punto 5 es siempre
m�s positivo que Ea, y se vuelve m�s positivo
al aumentar la distancia �nodo-electrodo de referencia.
El potencial de la tuber�a (y el del �nodo) con el electrodo de referencia
situado en el punto 2 estar� siempre comprendido entre Ec y
Ea, sin variar al trasladar el de referencia.
Por tanto, con la medida del potencial efectuada colocando el electrodo de referencia sobre la tuber�a (punto 1), sobre el �nodo (punto 4) o en posici�n remota (punto 2), es posible conocer si el �rea de la tuber�a que est� debajo del electrodo de referencia funciona cat�dica u an�dicamente. Hay que se�alar que si con el electrodo de referencia colocado en el punto 2 se mide un potencial m�s negativo que el determinado sobre la vertical de la tuber�a, la zona enterrada es cat�dica; si se mide un potencial m�s positivo la zona ser� an�dica.
En la pr�ctica, este tipo de determinaciones s�lo es posible en estructuras no revestidas, en cuanto que la corriente en �stas es lo suficientemente elevada como para dar lugar a ca�das �hmicas importantes en el terreno y debido a esto, medir diferencias de potencial apreciables cuando se traslada el electrodo de referencia de un punto a otro.
