IV. PROTECCI�N CAT�DICA CON �NODOS GALV�NICOS
SE ATRIBUYE al ingl�s Davy la paternidad del descubrimiento de la protecci�n cat�dica, ya que en 1824, para proteger la envoltura de cobre de los buques de guerra brit�nicos utiliz�, por vez primera, bloques de zinc, con lo que se inici� lo que se conoce en la actualidad como protecci�n cat�dica. La realizaci�n de la protecci�n cat�dica con �nodos de sacrificio o galv�nicos se lleva a cabo normalmente con tres metales caracter�sticos: zinc (Zn), magnesio (Mg), aluminio (Al) y sus aleaciones. El zinc ha sido siempre el material an�dico cl�sico, y es el pionero en el desarrollo de la protecci�n cat�dica. Los �nodos de aleaciones de magnesio han sido tambi�n utilizados con �xito; principalmente se emplean para la protecci�n de estructuras que requieren de una polarizaci�n r�pida, o en medios agresivos de resistividad elevada, como los suelos. El aluminio es un material an�dico de gran inter�s por sus caracter�sticas electroqu�micas. Sin embargo, la obtenci�n de aleaciones de aluminio adecuadas para �nodos de sacrificio ha sido m�s lenta que las de los dos otros metales, que en los �ltimos a�os han tenido un gran desarrollo.
PROPIEDADES DE UN MATERIAL AN�DICO
Tomando en cuenta la serie electroqu�mica de los metales (Cuadro 3), un metal tendr� car�cter an�dico respecto de otro si se encuentra arriba de �l en dicha serie. As�, por ejemplo, el hierro ser� an�dico con relaci�n al cobre y cat�dico respecto al zinc. El metal que act�a como �nodo se "sacrifica" (se disuelve) en favor del metal que act�a como c�todo; por esto el sistema se conoce como protecci�n cat�dica con �nodos de sacrificio. Lo anterior se ilustra en un esquema de la figura 17.
Figura 17. Mecanismo de protecci�n cat�dica con �nodo de sacrificio.
Las propiedades que debe reunir un material an�dico son las siguientes:
1) Debe tener un potencial de disoluci�n lo suficientemente negativo como para polarizar la estructura de acero (que es el metal que normalmente se protege) a -0.80 V. Sin embargo, el potencial no debe ser excesivamente negativo ya que eso motivar�a un gasto innecesario de corriente. El potencial pr�ctico de disoluci�n puede estar comprendido entre - 0.95 V y - 1.7 V.
2) Cuando el metal act�e como �nodo debe presentar una tendencia peque�a a la polarizaci�n, no debe desarrollar pel�culas pasivantes protectoras y debe tener un elevado sobrepotencial para la formaci�n de hidr�geno.
3) El metal debe tener un elevado rendimiento el�ctrico, expresado en amperes-hora por kg. de material (Ah/kg.) lo que constituye su capacidad de drenaje de corriente.
4) En su proceso de disoluci�n an�dica, la corrosi�n deber� ser uniforme.
5) El metal debe ser de f�cil adquisici�n y deber� de poderse fundir en diferentes formas y tama�os.
6) El metal deber� tener un costo razonable, de modo que en conjunci�n con las caracter�sticas electroqu�micas correctas, pueda lograrse una protecci�n a un costo bajo por ampere-a�o.
Estas exigencias ponen de manifiesto que solamente el zinc, el magnesio y el aluminio y sus respectivas aleaciones pueden ser consideradas como materiales para ser utilizados pr�cticamente como �nodos de sacrificio.
CARACTER�STICAS ELECTROQU�MICAS DEL ZINC (Zn), MAGNESIO (Mg) y ALUMINIO (Al)
Las propiedades que deben reunir los materiales an�dicos para que puedan ser utilizados como tales en la pr�ctica, remiten, pues, al Zn, Al y al Mg como metales seleccionados. Otros posibles candidatos, como los metales alcalinos (Li, Na, K) y los alcalino-t�rreos (Be, Ca, Sr), quedan descartados porque son demasiado activos (tienen un sobrepotencial de hidr�geno peque�o y un potencial de disoluci�n muy elevado) y otros, como el cromo (Cr), porque son f�cilmente pasivables.
En una reacci�n electroqu�mica, un metal se disuelve de acuerdo con las leyes de Faraday, las cuales dicen que, pr�cticamente, el paso de una cantidad de corriente de 96 500 coulombs (n�mero de Faraday) disuelve una cantidad equivalente de cualquier elemento qu�mico. Por tanto, si una cantidad de electricidad de Q coulombs pasa, la cantidad de metal disuelto ser�:
| p = |
gramos de metal disuelto |
| 1 = |
intensidad de la corriente en amperes (A) |
| t = |
tiempo en segundos (s) |
| P.A. = |
peso at�mico del metal en gramos (g) |
| n = |
valencia del elemento, n�mero de electrones que pierde el metal al disolverse |
El cociente 
es el equivalente electroqu�mico.
De esta manera se puede calcular la cantidad de metal consumido para suministrar la cantidad determinada de corriente. Estos datos se presentan en el cuadro 5.
CUADRO 5. Propiedades f�sicas y electroqu�micas del Mg, Zn y Al
Estos valores consideran que el metal no sufre autocorrosi�n, es decir, que se utiliza �ntegramente para producir corriente. Para un rendimiento de corriente del 100%, el aluminio es el que sufrir� la p�rdida de peso m�s peque�a ya que, seg�n el cuadro 5, es el que proporciona mayor capacidad el�ctrica, o sea el mayor n�mero de coulombs por kg de metal disuelto. Siguiendo el razonamiento, para suministrar una misma intensidad de corriente, sobre la base de un rendimiento en corriente del 100% (digamos 2 982 A-h), necesitar�amos 1 kg de aluminio, 3.64 kg de zinc y 1.35 kg de magnesio, lo cual implica, en porcentajes, un rendimiento pr�ctico para el zinc de 27.5% y para el magnesio de 74% de corriente aproximadamente.
Ahora bien, los rendimientos pr�cticos no alcanzan nunca el 100%, ya que en la pr�ctica industrial no se pueden fabricar �nodos galv�nicos puros, porque resultan incosteables. Los rendimientos normales est�n entre 50% y 90% del rendimiento te�ricamente considerado. En el cuadro 6 se presentan los valores te�ricos y pr�cticos de la capacidad el�ctrica para los metales com�nmente utilizados como �nodos de sacrificio.
INTENSIDAD DE LA CORRIENTE AN�DICA
A partir de las leyes de Faraday se puede calcular la intensidad de corriente que es capaz de suministrar 1 kg de metal en su actuaci�n an�dica. Ahora bien, este valor est� muy lejos de ser significativo, ya que no tiene en cuenta que:
a) la intensidad que es capaz de dar un metal en su actuaci�n an�dica es funci�n de su forma geom�trica; es decir, 1 kg de metal en forma cil�ndrica suministrar� una intensidad de corriente menor que si tiene forma de estrella. Por otra parte, hay que tener en cuenta que cualquiera que sea su superficie, �sta va disminuyendo a medida que el �nodo se va desgastando, lo cual es un factor que habr� que tener en cuenta en el c�lculo real de la intensidad.
b) el valor obtenido a partir de las leyes de Faraday equivale a un rendimiento electroqu�mico del 100%, que como ya se ha indicado, nunca se puede alcanzar en la pr�ctica. La pila formada por el �nodo galv�nico y su estructura dar�n un valor m�ximo de corriente en el instante de iniciar su funcionamiento, el cual decrecer� despu�s por los procesos de polarizaci�n que tienen lugar en los electrodos. Por otra parte, la autocorrosi�n que, en mayor o menor grado, presentan los tres metales empleados como �nodos galv�nicos har� siempre que su rendimiento sea inferior al 100%.
Cada tipo de �nodo, sumergido o enterrado, tendr� una resistencia determinada que depender� de la resistividad del medio (p), de su longitud y del llamado radio equivalente y que viene dada por la f�rmula:
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R =
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resistencia del �nodo, en ohms (W) |
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L =
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longitud, en cm |
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p =
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resistividad del medio, en ohms por cm (W - cm) |
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r =
|
radio equivalente, en cm. |
El radio equivalente es el radio de un cilindro de igual superficie transversal que el �nodo, cuando �ste se haya consumido en 40%. Si la secci�n del �nodo es: S = p r2
Cada �nodo podr� suministrar una intensidad de corriente que vendr� fijada por la ley de Ohm
I = V / R,
Un factor importante que se debe tener en cuenta es la duraci�n o vida" de los �nodos. La vida para cada valor de intensidad de corriente ser� una funci�n del peso del �nodo (ley de Faraday) y no del n�mero de �nodos que se coloquen. Si se conoce la intensidad que es capaz de suministrar un �nodo (1) y su peso (kg), teniendo en cuenta su capacidad de corriente calculada te�ricamente (Cuadro 6) as� como su rendimiento y su factor de utilizaci�n, se puede calcular f�cilmente su duraci�n. El factor de utilizaci�n puede ser de 85%, ya que, cuando un �nodo se ha consumido, este porcentaje debe sustituirse, pues el material que queda es insuficiente para mantener un porcentaje adecuado de la intensidad de corriente que inicialmente era capaz de suministrar.
CUADRO 6. Valores electroqu�micos para el c�lculo de la vida de los �nodos.
La vida del �nodo puede calcularse de la siguiente manera:
Por ejemplo, la vida de un �nodo de Zn de 14 kg de peso, capaz de suministrar una intensidad de corriente de 0.1 A, ser�:
capacidad de corriente (v�ase cuadro 5): 
teniendo en cuenta que un a�o tiene 8 760 horas
factor utilizaci�n 85%. Por tanto, su
Los �nodos se pueden colocar en la estructura a proteger con distintos procedimientos, pero siempre con ayuda del alma que los atraviesa que suele ser redonda y de acero. Los extremos que sobresalen del alma pueden doblarse ligeramente y soldarse, lo que es el caso m�s com�n. Ahora bien, se utilizan tambi�n con frecuencia sistemas de grapas o esp�rragos o simplemente se atornillan.
Cuando van enterrados se introducen en una bolsa de tela y son rodeados de una mezcla de componentes de baja resistividad que proporcionan un funcionamiento homog�neo del �nodo. Por medio de un cable se une el alma de acero del �nodo con la estructura que se quiere proteger (en la figura 18 se presenta el detalle de instalaci�n de �nodos de sacrificio).
Figura 18. Detalle de la instalaci�n de �nodos de sacrificio.
Para conocer el n�mero de �nodos que se van a necesitar para llevar a efecto la protecci�n cat�dica es necesario determinar la superficie a proteger y conocer la densidad de corriente de protecci�n. El producto de la superficie a proteger (en m2) por la densidad de corriente de protecci�n (en mA/m2) nos dar� la intensidad total necesaria para la protecci�n cat�dica (It).
Por otra parte, como se conoce la intensidad que es capaz de suministrar un �nodo, tendremos que
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It
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|
|
|
I
|
La composici�n de los �nodos tiene una gran importancia ya que act�a de una forma muy directa sobre las cuatro propiedades que permiten apreciar el valor de un metal o aleaci�n para poder ser utilizado como �nodo de sacrificio: el potencial de disoluci�n, el rendimiento de corriente, la polarizabilidad y la homogeneidad en la corrosi�n del �nodo. Asimismo tiene una gran influencia sobre las propiedades de los productos de corrosi�n formados en el �nodo durante su actuaci�n: porosidad, adherencia, dureza, conductividad el�ctrica, etc�tera.
Entre sus impurezas, las m�s perjudiciales son el hierro (Fe) y el plomo (Pb). Se ha encontrado que porcentajes de hierro superiores al 0.01% causan la p�rdida de actividad del �nodo. Trabajos posteriores recomiendan no sobrepasar el 0.002%.
En aplicaciones de �nodos de Zn en agua de mar, ser�a recomendable un l�mite m�ximo de 0.0002% de Fe, aunque los �nodos de esta composici�n no se puedan obtener comercialmente.
Por otro lado, parece estar bien demostrado que la adici�n de peque�os porcentajes de Al, de Al y cadmio (Cd), o Al y silicio (Si) al Zn es un recurso �til para contrarrestar los efectos del Fe como impureza. Ello queda reflejado en la nueva especificaci�n MIL-A-18001 G (v�ase el cuadro 7), que permite hasta 0.005% de Fe, pero exige, al mismo tiempo, contenidos de un 0.025 - 0.15% de Cd y 0.10 - 0.50% de Al.
CUADRO 7. Composiciones exigidas a los �nodos de zinc, seg�n especificaciones militares norteamericanas.
Entre los elementos de aleaci�n utilizados con resultados m�s o menos satisfactorios, para mejorar el comportamiento general de los �nodos de sacrificio de Zn, figuran principalmente el litio (Li), el cromo (Cr), el Mg, el Al y el Cd. En el cuadro 8 se presentan las calidades de Zn seg�n la especificaci�n B6-46 de la Asociaci�n Americana para el Ensayo de Materiales (ASTM).
CUADRO 8. Calidades del zinc seg�n la especificaci�n ASTM
B6-46
Las aleaciones m�s utilizadas en la actualidad son las MIL, norteamericanas, cuya composici�n se indica en los cuadros 7 y 9.
CUADRO 9. Composici�n comercial t�pica de �nodos de zinc (aleaci�n Zn-Al-Cd)
Se ha estudiado una amplia serie de aleaciones de Mg con vistas a ser utilizada como �nodos de sacrificio. Los cuadros 10 y 11 re�nen dichas Composiciones. El rendimiento en corriente de estas aleaciones crece con la densidad de corriente.
CUADRO 10. Composiciones de magnesio y sus aleaciones utilizadas como �nodos de sacrificio
El Dowmetal H - l es la aleaci�n que ha tenido un comportamiento m�s satisfactorio frente al agua de mar por lo que es la aleaci�n que m�s se utiliza en este medio. Presenta una buena distribuci�n del ataque an�dico y un consumo homog�neo del �nodo, una susceptibilidad muy peque�a a la polarizaci�n con el tiempo y un rendimiento de corriente entre los m�s elevados que se pueden obtener con �nodos de Mg (55-67%).
La mayor�a de los metales son cat�dicos en relaci�n con el Mg; as� pues, las impurezas constituyen un peligro de corrosi�n espont�nea, si se desean obtener buenos rendimientos es necesario mantenerlas dentro de l�mites bien determinados. El hierro es particularmente perjudicial; su influencia es peque�a en tanto no exceda el 0.014%, pero si sube hasta el 0.03%, la corrosi�n espont�nea del �nodo se multiplica aproximadamente 500 veces. El bajo rendimiento de la aleaci�n "cell" (v�ase el cuadro 10) se atribuye a su elevado contenido de Fe (0.03%). El n�quel (Ni) ocasiona efectos desastrosos sobre los �nodos de Mg. Se ha comprobado que contenidos superiores a 0.001% dan lugar a la disoluci�n del �nodo por corrosi�n espont�nea y a potenciales de disoluci�n sensiblemente nobles (positivos).
El cobre (Cu) es otro elemento que ejerce una acci�n nociva en el Mg. Si el contenido de Cu permanece inferior a 0.5%, no se observan cambios notables en el potencial de disoluci�n del �nodo. Contenidos superiores dan lugar a un aumento en el potencial y a una disminuci�n de la intensidad de corriente proporcionada por el �nodo para la protecci�n de una estructura determinada. Cuando el contenido de Cu alcanza 4%, el potencial de disoluci�n se vuelve tan positivo que se produce una inversi�n de la polaridad del magnesio.
La acci�n que ejerce el Al como elemento de aleaci�n del magnesio es eliminar gran parte del Fe durante la preparaci�n de la aleaci�n. Las aleaciones MgAl tienen una buena resistencia a la corrosi�n espont�nea.
El Zn produce efectos favorables como elemento de aleaci�n del Mg. Por una parte favorece el consumo homog�neo del �nodo, especialmente con contenidos entre 2.5 y 3.5% y por otra, act�a dando un margen mayor a la acci�n de las impurezas; se puede admitir hasta un 0.01% de Fe sin afectar el rendimiento.
Por �ltimo, el manganeso (Mn) ejerce, en general, una acci�n favorable, ya que tiende a eliminar los efectos del Fe y a compensar los del cobre.
El Al, a pesar de ser, por sus caracter�sticas electroqu�micas, el material id�neo para ser utilizado como �nodo de sacrificio, su empleo como tal es relativamente reciente. La raz�n estriba en que este metal, aleado o no, presenta un inconveniente: se le forma una pel�cula de �xido de aluminio (pasivaci�n an�dica) que lo hace muy resistente a la corrosi�n y por tanto al "sacrificio".
Para la utilizaci�n del Al como �nodo galv�nico se han realizado numerosas investigaciones cuyo objetivo principal ha sido la b�squeda de elementos de aleaci�n que limiten la pasivaci�n an�dica del mismo. El cuadro 12 re�ne las caracter�sticas de algunas de las aleaciones de Al desarrolladas.
CUADRO 12. Composici�n comercial t�pica de �nodos de aluminio.
El camino seguido en estas investigaciones fue determinar los efectos que un gran n�mero de elementos, en forma aislada, ejerc�an sobre el potencial del Al. El Cu y Mn hac�an m�s cat�dico el potencial del Al. El Zn, Cd, Mg y bario (Ba) hac�an de -0.1 a -0.3V m�s an�dico dicho potencial y el galio (Ga), mercurio (Hg), esta�o (Sn), e indio (In) lo hac�an tambi�n m�s an�dico (entre -0.3 y 0.9V).
Las combinaciones que en principio ten�a un inter�s especial fueron las de Al-Hg-Sn y Al-Hg-Bi, cuyo comportamiento es muy similar, pues tienen potenciales parecidos a los de las aleaciones Al-Hg.
Las aleaciones Al-Hg-Zn, AI-Sn-Zn y Al-In-Zn tienen potenciales alrededor de -1.05V y rendimientos elevados. La aleaci�n Al-Hg-Zn ha sido estudiada sistem�ticamente; se ha tenido en cuenta en esto el efecto de la variaci�n de la composici�n, la densidad de corriente y la pureza del Al empleado. Para este tipo de aleaci�n se alcanzan rendimientos del 95%. Esta aleaci�n y la de Al-In-Zn son de las m�s utilizadas en la actualidad.
Las aleaciones con Hg tienen un problema espec�fico que vale la pena se�alar y que, a pesar de sus importantes caracter�sticas electroqu�micas, hace que su utilizaci�n tienda a ser cada vez m�s reducida: la acci�n contaminante del Hg.
CAMPOS DE APLICACI�N DEL ZINC, ALUMINIO, MAGNESIO Y SUS ALEACIONES COMO �NODOS GALV�NICOS
La gran utilizaci�n del Zn como �nodo de sacrificio est� justificada porque es el primer metal que se emple� como tal. El valor relativamente elevado de su potencial de disoluci�n le confiere un alto rendimiento de corriente.
Uno de los factores que m�s puede limitar la utilizaci�n del Zn es la resistividad del medio agresivo. Es aconsejable que su empleo quede limitado a las resistividades inferiores a los 5 000 ohms-cm. Tambi�n hay que cuidar su utilizaci�n en presencia de aguas dulces a temperaturas arriba de 65�C, ya que en estas condiciones puede invertir su polaridad y hacerse cat�dico con relaci�n al acero.
Como �nodo galv�nico o de sacrificio se utiliza masivamente, sobre todo para la realizaci�n de la protecci�n cat�dica en agua de mar: buques, pantalanes, andenes mar�timos, refuerzos met�licos, diques flotantes, boyas, plataformas de perforaci�n de petr�leo, dep�sitos de agua, condensadores, etc�tera.
El Al, por su situaci�n en la serie electroqu�mica, es el metal m�s id�neo para la protecci�n cat�dica, pues ocupa una posici�n intermedia entre el Zn y el Mg, y tiene una capacidad elevada de corriente (Cuadros 6 y 13). Debido precisamente a su elevada capacidad de corriente, un solo �nodo de Al puede ejercer la acci�n de tres de iguales caracter�sticas de Zn, para una misma duraci�n del �nodo. Estas circunstancias han motivado que estos �nodos est�n siendo muy utilizados en construcci�n naval, para la protecci�n cat�dica de tanques de lastre de cargalastre y en los petroleros. Aunque el precio del Al es m�s elevado que el del Zn, al tenerse que colocar menos �nodos esta diferencia se compensa y si se considera adem�s, el ahorro de mano de obra en la colocaci�n de los �nodos de aluminio, �stos pueden llegar a ser incluso m�s econ�micos que los de Zn.
El campo de aplicaci�n de los �nodos de Al es semejante al de los de Zn y su comportamiento es satisfactorio en la protecci�n cat�dica de estructuras sumergidas en aguas dulces.
CUADRO 13. Caracter�sticas electroqu�micas de algunas aleaciones de zinc, aluminio y magnesio utilizadas en la actualidad
La utilizaci�n del Mg y sus aleaciones resulta del valor bastante bajo de su potencial de disoluci�n (Cuadro 13), que implica un bajo rendimiento de corriente y una disminuci�n, a veces bastante grande, del potencial de la estructura a proteger. El magnesio puede utilizarse para la protecci�n cat�dica de estructuras provistas de un recubrimiento de mala calidad situadas en un medio de resistividad elevada (10 000 ohms-cm) tal como es el caso de un suelo arenoso.
No son recomendables estos �nodos para su utilizaci�n en agua de mar, ya que su elevada autocorrosi�n hace que los rendimientos sean muy bajos; y su mejor campo de aplicaci�n es en medios de resistividad elevada (entre 5 000 y 20 000 ohms-cm).
El cuadro 14 resume lo anterior y puede ayudar en la selecci�n de un material an�dico en funci�n de la resistividad del medio.
CUADRO 14. �nodos de sacrificio recomendables en funci�n de la resistividad del medio
VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LA PROTECCI�N CAT�DICA CON �NODOS GALV�NICOS
Las ventajas y desventajas de la protecci�n con �nodos galv�nicos se resumen
en el cuadro 15. Esencialmente la protecci�n con �nodos de sacrificio puede
utilizarse cuando se requiere de una corriente peque�a y la resistividad del
medio agresivo es baja. Puede usarse adem�s como complemento de la protecci�n
cat�dica con corriente impresa, para proteger alguna parte de la estructura
o bien para eliminar la posibilidad de corrosi�n por corrientes vagabundas (v�ase
el cap�tulo VII.)
