VI. CONDICIONES DE PROTECCI�N CAT�DICA. CRITERIOS DE POTENCIAL Y REQUERIMIENTOS DE CORRIENTE
CRITERIO PARA LA ELECCI�N DEL POTENCIAL DE PROTECCI�N
EL CRITERIO de potencial se refiere exclusivamente a la aplicaci�n de la protecci�n cat�dica para eliminar o reducir, dentro de l�mites aceptables, la corrosi�n generalizada de una determinada estructura. Hay que resaltar que no se considera aqu� la forma de prevenir los casos de corrosi�n localizada, para los cuales el potencial de protecci�n se elige o selecciona con criterios diferentes a los que se se�alan en esta parte. De aqu� que la validez del criterio de potencial queda restringida a los casos de corrosi�n generalizada.
Criterio basado en consideraciones termodin�micas
Desde un punto de vista termodin�mico se podr�a escoger el valor del potencial de equilibrio de la reacci�n de corrosi�n como potencial de protecci�n, en cuanto que limita de una manera superior el intervalo de potencial en el cual el metal no puede corroerse (est� en condiciones de inmunidad termodin�mica). De hecho este criterio no es utilizado por dos motivos principales:
a) En primer lugar, si se toma el potencial de protecci�n como potencial de equilibrio de la reacci�n de disoluci�n del metal, esto implica necesariamente conocer la composici�n qu�mica de la soluci�n en contacto con la superficie met�lica bajo las condiciones de protecci�n cat�dica. Dicha composici�n qu�mica es variable y depende de las condiciones ambientales, estado de la superficie, etc., por lo que es muy dif�cil precisarla.
b) En segundo lugar, al menos en el caso en que el ambiente no contenga pr�cticamente iones del metal que se corroe, o que su contenido sea muy bajo (lo que es un caso normal en la pr�ctica de la protecci�n cat�dica de estructuras met�licas enterradas en el suelo o sumergidas en agua de mar), el potencial de equilibrio toma valores muy negativos y tiende a -� infinito en concentraciones cercanas al valor cero.
Recu�rdese que la relaci�n entre el potencial de equilibrio de un metal que
se corroe y la concentraci�n de sus iones est� fijada por la ley de Nernst
Para la reacci�n de disoluci�n del acero (hierro):
En la ecuaci�n de Nernst, sustituyendo E� = - 0.44 V y n = 2, se tiene
que:
El profesor Marcel Pourbaix ha abordado el problema del potencial de protecci�n, y le ha dado una soluci�n basada en consideraciones termodin�micas. Ha propuesto considerar "inmune" a la corrosi�n a un metal que se encuentre a potenciales m�s negativos que el que corresponder�a al valor de su potencial de equilibrio en una soluci�n que contuviera sus iones a una concentraci�n l0- 6 moles/litro.
As�, aplicando la ecuaci�n de Nernst, se tendr�a, para [Fe2+] = l0 -6:
Eprotecci�n = -0.44 + 0.059/2 log 10 -6 = -0.62 V
El potencial de protecci�n resulta ser entonces de -0.62 V respecto al electrodo de referencia de hidr�geno. En la figura 10 se present� el correspondiente diagrama potencial pH (diagrama de Pourbaix) para el sistema Fe-agua, en el cual se delimita la zona de inmunidad y corrosi�n con el valor del potencial calculado en este apartado.
En los t�rminos propuestos por Pourbaix, aplicando una corriente se impone al metal que se quiere proteger el potencial que corresponda a una concentraci�n m�nima de iones met�licos en la soluci�n. La concentraci�n l�mite adoptada es de l0 -6 moles/litro.
Por convenci�n, habr� corrosi�n si la concentraci�n de los iones met�licos en el electrolito es igual o mayor que l0 -6 moles/litro.
Esto permite calcular, bas�ndose en la ecuaci�n de Nernst, el potencial de
protecci�n, el cual, sin embargo, es funci�n del pH del electrolito. La informaci�n
puede obtenerse del correspondiente diagrama potencial -pH del metal en cuesti�n
(Cuadro 18).
CUADRO 18. Potencial de protecci�n* a diferentes pH de algunos metales,
obtenido a partir de los correspondientes diagramas de potencial -pH a 25�C
En general, para la definici�n del potencial de protecci�n no se utilizan criterios que supongan la condici�n de "inmunidad" del material, sino otros en los cuales se puede decir que est� "cuasi inmune", y que corresponder�a a una velocidad de corrosi�n suficientemente peque�a y por tanto aceptable en la pr�ctica.
El potencial de protecci�n podr�a definirse entonces como aquel al cual la velocidad de corrosi�n debe mantenerse lo suficientemente baja, esto es, menor a un l�mite fijado.
Por ejemplo, si se pone como l�mite para el acero en soluci�n acuosa una velocidad de corrosi�n de 12 micras/a�o (um/a�o), el potencial de protecci�n a 25 y 50�C resulta ser, respectivamente, de -750 y -850 mV, contra Cu/CuSO4 (saturada).
Experimentalmente, la determinaci�n del potencial de protecci�n puede realizarse encontrando las caracter�sticas de polarizaci�n. cat�dica, potencial/logaritmo de la densidad de corriente, con lo que se determina el valor del potencial en el cual se inicia el comportamiento lineal (de Tafel) de las caracter�sticas cat�dicas. Este valor del potencial, de hecho, se�ala cu�ndo la velocidad del proceso de corrosi�n es despreciable.
Como un ejemplo, veamos el caso esquematizado en la figura 22, relativo al acero en una soluci�n acuosa aereada (agua de mar, por ejemplo). Se intuye r�pidamente que no es adecuado para efectuar la protecci�n que se alcance un potencial como E 4, el cual corresponde a una elevada corriente que lleva a una protecci�n completa, pero que produce un importante desprendimiento de hidr�geno. En este caso parece m�s indicado trabajar en el intervalo comprendido entre E1 y E2, en el cual se est� en unas condiciones tales que no se disminuye sensiblemente el efecto de protecci�n (como sucede para potenciales tipo E3 o superiores) y que al mismo tiempo mantiene la corriente cat�dica en valores peque�os y que por tanto resulta despreciable el desprendimiento de hidr�geno.
Figura 22. Diagrama potencial-intensidad de corriente en un sistema
de corrosi�n en condiciones de control cat�dico por difusi�n de O2
En otros casos puede resultar oportuno imponer una disminuci�n del potencial mayor de la que es estrictamente necesaria para reducir la velocidad de corrosi�n, por debajo del l�mite aceptable desde el punto de vista t�cnico. Por ejemplo, para una estructura desnuda sumergida en agua de mar, una disminuci�n de 150 a 200 mV respecto al potencial de corrosi�n libre lleva a reducciones de la velocidad de corrosi�n de al menos dos �rdenes de magnitud y de ah� a un grado de protecci�n aceptable, al menos en la mayor�a de aplicaciones. Por tanto, en este ambiente deber�a de aconsejarse un potencial de protecci�n comprendido entre -700 y -750 mV y no uno de -800 mV (vs. Ag/AgCI), como se hace generalmente.
En efecto, se observa que polarizando la estructura a -700 mV, el aumento en el pH que se produce en el c�todo como consecuencia de la reducci�n del ox�geno, no es suficiente para lograr la precipitaci�n de las capas de carbonato y de hidr�xido; en cambio, a -800 mV se obtiene este dep�sito, lo que provoca una disminuci�n de la corriente l�mite de difusi�n del ox�geno y por tanto de la corriente de protecci�n, la cual, a -800 mV, resulta muy inferior a la necesaria para mantener la estructura a un potencial de -700 mV (Figura 23).
Figura 23. Densidad de la corriente de protecci�n con diferentes potenciales.
En ciertas condiciones ambientales en las cuales la formaci�n de dep�sitos calc�reos puede resultar obstaculizada (por ejemplo, por una fuerte acci�n abrasiva o en presencia de soluciones de salmuera poco incrustantes) puede resultar necesario operar con potenciales del orden de -900 mV para obtener los dep�sitos calc�reos y con ellos el efecto ben�fico consecuente.
Algunos criterios utilizados en la pr�ctica
Por lo revisado anteriormente, el potencial de protecci�n puede definirse como aquel en el cual cualquier aumento del grado de protecci�n implica poco costo, ligado directa o indirectamente al aumento de la corriente necesaria, con la ventaja que se deriva de la consecuente disminuci�n de la velocidad de corrosi�n.
De hecho, en la gran mayor�a de los casos (por ejemplo en la protecci�n cat�dica en suelos, agua de mar, etc.) los criterios que tienen aplicaci�n son aquellos que est�n basados en la experiencia pr�ctica.
El C�digo de Pr�ctica ingl�s de la British Standard Institution ("Code of Practice for Cathodic Protection" [C.P. 1021] agosto de 1973) recomienda, para diferentes materiales, los potenciales de protecci�n que se presentan en el cuadro 19.
En particular, el valor normalmente indicado para la protecci�n de estructuras de acero enterradas nuevas y bien protegidas con alg�n tipo de recubrimiento es aquel que lleva a un potencial inferior a los -850 mV vs. Cu/CuSO4 (criterio de los -850 mV) y a -900 mV en el caso de un suelo que contenga bacterias sulfato-reductoras (o sea, m�s agresivo).
Un criterio an�logo se emplea para proteger el acero en agua de mar; se toma como protegida una estructura cuando se encuentra a un potencial de -800 mV respecto del electrodo de referencia de Ag/AgCI, que es el m�s usado en agua de mar. Si el acero est� en contacto con el lodo del fondo marino y en condiciones en las cuales pueden desarrollarse bacterias sulfato-reductoras, el potencial de protecci�n se aumenta a -900 mV vs. Ag/AgCI.
La experiencia muestra, sin embargo, que no siempre se utilizan criterios de este tipo. Por ejemplo, si una estructura enterrada no est� protegida con un buen recubrimiento (una estructura vieja por ejemplo) o sencillamente no est� protegida por alg�n recubrimiento, no es conveniente, especialmente en terrenos muy aereados, aplicar el criterio de los -850 mV vs. Cu/CuSO4, por que la corriente necesaria para alcanzar este potencial puede resultar muy elevada. En este caso, por ejemplo, se prefiere recurrir al criterio conocido como "desplazamiento del potencial", el cual consiste en disminuir 300 mV el potencial de la estructura con respecto al potencial de corrosi�n libre.
En la determinaci�n del potencial de la estructura; a proteger se puede incurrir en algunos errores, ligados sobre todo a una mala situaci�n del electrodo de referencia, los cuales s�lo pueden conocerse o eliminarse si se conoce la magnitud del potencial que se mide.
El potencial de una estructura, respecto al electrodo de referencia colocado en su vecindad, es la suma de tres contribuciones esencialmente:
a) una contribuci�n de tipo termodin�mico que depende del electrodo de referencia utilizado. Esta contribuci�n interesa s�lo en cuanto que fija la diferencia al potencial cero en la escala convencional que toma como potencial cero el del electrodo de hidr�geno. Por ejemplo, en el caso de una estructura enterrada, el electrodo m�s utilizado como referencia es el de cobre/sulfato de cobre (Cu/CuSO4). El cero de potencial respecto a este electrodo se encuentra cerca de 300 mV por encima del cero en la escala del de hidr�geno (v�ase Figura 8).
b) Una contribuci�n, debida esencialmente al sobrepotencial de activaci�n y de concentraci�n de la reacci�n que se produce en la interfase superficie met�lica/electrolito. Este sobrepotencial est� ligado a la naturaleza del proceso electr�dico, a su velocidad, etc�tera.
c) Un t�rmino de ca�da �hmica que depende de la posici�n en la cual se sit�a el electrodo de referencia respecto de la estructura, de la geometr�a del sistema, de su conductividad, de la corriente que circula (en virtud de la protecci�n cat�dica o de corrientes par�sitas), etc�tera.
El potencial que se desea conocer, con el fin de valorar las condiciones de protecci�n de la estructura, es precisamente el de la estructura con respecto al ambiente que la rodea. Este potencial se puede medir directamente (considerando despreciable el t�rmino de la ca�da �hmica) si se coloca el electrodo de referencia en la vecindad inmediata, es decir, junto a la estructura.
En la pr�ctica, el modo m�s empleado para determinar directamente, sobre una estructura en servicio, la contribuci�n de la ca�da �hmica, consiste en "interrumpir" o en variar la corriente (en este segundo caso, s�lo en sistemas con corriente impresa) con la cual se est� polarizando la estructura que se desea proteger, a partir de lo cual se registrar� la consiguiente variaci�n de potencial. La variaci�n instant�nea del potencial, en el momento de abrir el circuito, corresponde a la contribuci�n de la ca�da �hmica. Los tipos de electrodos de referencia m�s empleados en la pr�ctica de la protecci�n cat�dica, el de Ag/AgCl/agua de mar, Zn/agua de mar y Cu/CuSO4 (saturado), se han descrito ya en el cap�tulo II.
Medida del potencial en estructuras enterradas
Cuando se trata de medir el potencial de una tuber�a enterrada, se toma el electrodo de Cu/CuSO4 (saturado) como referencia y un milivolt�metro de resistencia interna elevada (mayor de 100 000 ohms). El polo positivo del aparato se une al electrodo de referencia y el negativo a la tuber�a. El valor que marque el aparato ser� el potencial de disoluci�n del metal del tubo, en funci�n del medio agresivo, en este caso el del suelo. La disposici�n y la forma de realizar esta medida se representa en la figura 24. El electrodo debe situarse justo encima de la generatriz superior de la tuber�a, de forma que quede perpendicular a ella.
Figura 24. Realizaci�n pr�ctica de medida de potencial de una tuber�a con
un electrodo de referencia de Cu/CuSO4 sat.
Como ya se ha indicado, las medidas de potencial pueden verse afectadas por la ca�da �hmica producida por el paso de la corriente el�ctrica que genera el proceso de protecci�n cat�dica. Esta ca�da de voltaje puede ser desde unos milivoltios a uno o varios centenares, seg�n sea el proceso. La magnitud del error depende de la forma de la estructura a proteger, de la corriente que fluye entre ella y los �nodos, de la resistividad del medio y de la distancia entre el electrodo de referencia y la estructura. Si la distancia y la corriente son peque�as, la ca�da de potencial puede ser despreciable.
La corriente que llega a la estructura que desea protegerse crea un campo el�ctrico de l�neas equipotenciales a su alrededor (Figura 25). Seg�n esta figura, cualquier punto de la superficie del suelo elegida para colocar el electrodo de referencia, tendr� un potencial diferente al inmediatamente pr�ximo. Cada uno de estos puntos tendr� a su vez una ca�da de potencial que depender� de la resistencia del terreno entre el electrodo y la tuber�a. El electrodo de referencia deber� colocarse justamente encima de la generatriz superior del tubo. En el caso de un dep�sito enterrado es exactamente igual, ya que la acci�n del campo el�ctrico no afecta la medida.
Figura 25. Campo el�ctrico alrededor de una tuber�a.
Para asegurar una medida correcta del potencial, estas l�neas equipotenciales deben ser perpendiculares a la superficie del suelo. Esto se consigue cuando la distancia entre la estructura enterrada y el �nodo es muy grande, en comparaci�n con la profundidad a la que dicha estructura est� enterrada (Figura 26 a). Si la separaci�n es peque�a, las l�neas equipotenciales sufren una distorsi�n, por lo que dejan de ser perpendiculares a la superficie del suelo y, por tanto, afectan mucho las medidas (Figura 26 b).
Figura 26. (a) La medida de potencial no se ve afectada por el campo el�ctrico. (b) la medida de potencial se ve afectada por el campo el�ctrico.
En el caso de dep�sitos de gases licuados de petr�leo (GLP) enterrados, como van dentro de un cubeto de mamposter�a relleno con arena lavada de r�o, se topan con una resistencia elevada del medio y, por falta de espacio, con los �nodos pr�ximos al dep�sito. En este medio tan resistivo, la salida de corriente de los �nodos de sacrificio, incluso si es de Mg, es muy peque�a. Por tanto, hay que colocar muchos �nodos de poco peso, para hacer un buen reparto de corriente, pues es muy peque�a la que suministran.
Si la corriente es muy peque�a, la ca�da de potencial ser� tambi�n muy peque�a, pero adem�s por la configuraci�n geom�trica entre el dep�sito y los �nodos, la longitudinal superior debe verse libre de la acci�n del campo el�ctrico (Figura 27). Por este motivo, cuando se realiza una protecci�n cat�dica en estos dep�sitos, la medida de potencial debe realizarse en la longitudinal superior.
Figura 27. Campo el�ctrico alrededor de un dep�sito de GLP enterrado.
Cuando el electrodo de referencia se desplaza del �nodo de sacrificio hacia la estructura protegida, en direcci�n de la corriente de protecci�n, el potencial medido que incluye la ca�da �hmica se vuelve m�s noble; por el contrario, �ste se hace aparentemente m�s activo cuando el electrodo de referencia se separa de la estructura protegida cat�dicamente y se aproxima al �nodo (Figura 28). La ca�da de potencial se traduce en lecturas falseadas del potencial que indican un grado de protecci�n mayor que el que existe en realidad.
Figura 28. Cubeto de mamposter�a que contiene un dep�sito de almacenamiento
de GLP. Importancia de la posici�n de colocaci�n del electrodo
de referencia de Cu/CuSO4(Tomado
de M. A. Guill�n, Revista Iberoamericana de Corrosi�n y Protecci�n 15
(5), p. 37, 1984.)
Medida del potencial en instalaciones marinas
El acero ha sido el metal base para la construcci�n de estructuras en el mar, como las plataformas, las boyas, las tuber�as submarinas, los pilotes, los tablestacas, etc., cuyo dise�o, construcci�n y protecci�n contra la corrosi�n ha sido el objetivo de importantes investigaciones en el mundo.
La evoluci�n en la utilizaci�n de estructuras de acero en el mar est� �ntimamente ligada al descubrimiento de yacimientos de petr�leo o de gas y al nacimiento y desarrollo de las t�cnicas de protecci�n contra la corrosi�n. La protecci�n cat�dica es imprescindible para el mantenimiento de estas estructuras dada la agresividad del medio (agua de mar) en el que est�n sumergidas. De aqu� la importancia de controlar el buen funcionamiento de la protecci�n cat�dica de las instalaciones marinas "offshore", como se les conoce en el argot de la ingenier�a de la corrosi�n.
La medida del potencial electroqu�mico de este tipo de estructuras persigue dos objetivos fundamentales:
1) Medici�n del potencial de la estructura protegida para verificar que el criterio termodin�mico de inmunidad se cumple en todos los puntos.
2) Medici�n del potencial de algunos �nodos de sacrificio representativos, para verificar su buen comportamiento (la ausencia de polarizaci�n excesiva).
La figura 29 representa el principio de medida del potencial electroqu�mico. La estructura protegida se conecta al polo negativo de un volt�metro, mientras que el electrodo de referencia, sumergido en el electrolito por el cual circula la corriente de protecci�n, se conecta al polo positivo. La posici�n exacta del electrodo de referencia en el campo el�ctrico establecido entre el �nodo y el c�todo es de suma importancia. En efecto, el potencial le�do corresponde a la superficie equipotencial sobre la cual se sit�a el electrodo de referencia. As�, en la figura 29, el circuito 1 corresponde a la medida del potencial en el punto A de la estructura, mientras que el Circuito 2 corresponde a la medida de potencial del �nodo. El circuito 3 representa una situaci�n intermedia.
Figura 29. Principio de la medida del potencial electroqu�mico.
Te�ricamente, un error de lectura causado por la ca�da �hmica en el circuito de medida es inevitable,aunque en la pr�ctica este error ser� irrelevante si se toman las precauciones necesarias. En particular, la corriente que circule por el circuito de medida debe ser lo m�s peque�a posible. Para esto, la impedancia de entrada del volt�metro utilizado debe ser lo m�s elevada posible (mayor de 100 000 ohms). Adem�s el contacto con la estructura debe realizarse en las mejores condiciones posibles, con objeto de evitar resistencias de contacto par�sitas.
Si bien el electrodo de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4sat.)
es pr�cticamente el �nico que se utiliza para la medici�n del potencial de estructuras
enterradas, en el caso de estructuras marinas (offshore) se puede escoger entre
varios:
a) El electrodo Cu/CuSO4
saturado puede utilizarse, aunque hay que renovar frecuentemente la soluci�n
de CuSO4, pues
su contaminaci�n por el agua de mar llega a falsear la lectura.
b) El electrodo de calomelanos saturado fue utilizado en un principio, aunque en la actualidad pr�cticamente no se usa en virtud de su fragilidad.
c) La pr�ctica m�s corriente consiste en utilizar el electrodo de plata/cloruro de plata (Ag/AgCl) en agua de mar, con lo cual se evita el problema de contaminaci�n. Hay que tener en cuenta con este electrodo adem�s que el valor del potencial le�do es funci�n de la concentraci�n de iones cloruro (v�ase el cap�tulo II) del agua de mar y por tanto de la salinidad. La variaci�n, de todos modos, es peque�a para las salinidades habituales.
d) Para aquellos casos en que se requiera que los electrodos funcionen por lapsos largos en una posici�n fija, se prefiere utilizar el Zn de alta pureza. Un inconveniente de este electrodo es una cierta variaci�n del potencial de un electrodo a otro, por lo cual se recomienda una calibraci�n peri�dica de los mismos con un electrodo de Ag/AgCl.
El criterio de inmunidad del acero con respecto a los diferentes electrodos de referencia indicados en condiciones normales de aereaci�n y salinidad, es el siguiente:
| -850 mV vs. Cu/CuSO4 saturado |
| -790 mV vs. Ag/AgCl en agua de mar |
| +250 mV vs. Zn |
Adem�s del electrodo de referencia y de un volt�metro de alta impedancia de entrada, se requiere de cables el�ctricos, cuyo calibre puede ser peque�o y de una buena conexi�n a la masa de la estructura que se puede lograr con pinzas de cocodrilo o por contacto por presi�n, por soldadura, etc. La utilizaci�n de volt�metros electr�nicos minimiza los errores causados por las ca�das �hmicas.
Algunos de los m�todos utilizados para la medida del potencial tanto de estructuras como de �nodos, se presentan en las figuras 30-35.
Figura 30. Medici�n del potencial. Electrodo m�vil con volt�metro en la superficie.
Figura 31. Medici�n del potencial con la ayuda de un submarinista.
Figura 32. Electrodo fijo con volt�metro en la superficie. (a) Masa en la superficie. (b) Masa sumergida.
Figura 33. Medida del potencial con la ayuda de un submarino.
Figura 34. Medida del potencial con la ayuda de un submarino y toma de tierra (masa) en la superficie.
Figura 35. Control del potencial por transmisi�n ac�stica.
DENSIDAD DE CORRIENTE DE PROTECCI�N
Pueden utilizarse diferentes m�todos para la determinaci�n de la intensidad
de protecci�n (1p) o de la densidad de
corriente de protecci�n. La figura 36 representa un m�todo experimental de polarizaci�n,
adecuado para determinar la densidad de corriente de protecci�n (Dp).
Aplicando una corriente el�ctrica creciente se obtiene una serie de valores
del potencial del hierro o del acero en agua de mar o en cualquier otro electrolito.
Si llevamos sobre la curva de polarizaci�n obtenida para el hierro el potencial
de protecci�n anteriormente calculado (v�ase el cap�tulo II), -0.61 V, se obtiene
la densidad de corriente de protecci�n, que seg�n la figura 36 resulta ser de
86 mA/ m2.
Figura. 36. M�todo experimental del trazado de una curva de polarizaci�n utilizable
para el c�lculo de la densidad de corriente de protecci�n (Dp).
Este valor es m�ximo, porque no tiene en cuenta los procesos de polarizaci�n que tienen lugar en funci�n del tiempo y que dan lugar a modificaciones superficiales, como la acumulaci�n de iones OH, de hidr�geno, los dep�sitos de magnesio calc�reos, etc�tera.
Valores pr�cticos de la densidad de corriente de protecci�n
Por cualquier m�todo que pueda ser empleado, la densidad de corriente de protecci�n ha sido determinada en funci�n del estado superficial del acero, que puede estar pintado o no o recubierto con un sistema pasivo de protecci�n. Algunos resultados pr�cticos se agrupan en el cuadro 20.
CUADRO 20. Densidad de corriente de protecci�n en distintos medios agresivos
Hay que resaltar la influencia de la velocidad del agua que habr� que tener siempre muy en cuenta, as� como la existencia de bacterias o de cualquier otro factor susceptible de incidir directamente en la corrosi�n y por tanto en la densidad de corriente para lograr la protecci�n.
Las capas de pinturas que se aplican sobre el acero reducen la densidad de corriente necesaria para la protecci�n y esta reducci�n variar� en funci�n del espesor y tipo de pintura. En el cuadro 20 se dan algunos valores indicativos.
La amplitud y diversidad de las instalaciones marinas y las caracter�sticas de las aguas de los distintos mares no hacen posible que se pueda presentar con detalle la infinidad de datos recogidos a lo largo de los a�os debidos a la experiencia de investigadores e ingenieros en este campo.
En lo que se refiere a las aguas dulces, las instalaciones son menos importantes y menos numerosas que las sumergidas en agua de mar. Algunos valores de densidad de corriente adecuada para conseguir la protecci�n cat�dica en este tipo de agua se presentan en el cuadro 20.
La densidad de corriente necesaria para la protecci�n cat�dica de estructuras enterradas, b�sicamente de tuber�as, es un caso especial, ya que el suelo es un medio heterog�neo donde var�a mucho la velocidad de corrosi�n. De un suelo natural se puede separar, fundamentalmente, arena, arcilla, cal y humus. Estos componentes pueden estar mezclados en el suelo en diferentes proporciones, lo que dar� lugar a distintos grados de agresividad y, por tanto, a valores distintos de la densidad de corriente para lograr la protecci�n. Si el ox�geno atmosf�rico no puede penetrar en el suelo, lo que con frecuencia es el caso en suelos arcillosos o turbosos, pueden existir bacterias. Estos microorganismos que se desarrollan en ausencia completa de oxígeno (condiciones anaerobias) como el Sporovibrio desulfuricans, originan graves problemas de corrosi�n al transformar los sulfatos presentes en el terreno, en sulfuros; los s�ntomas de este tipo de corrosi�n anaerobia son: un ennegrecimiento local del suelo por el sulfuro de hierro que se forma y a veces, un olor a �cido sulfh�drico.
Un factor importante para conocer la agresividad de un suelo es el conocimiento de su resistividad. (Para mayor informaci�n al respecto, v�ase el cap�tulo VII.)
Es en funci�n de todos estos factores que se debe determinar la densidad de corriente de protecci�n. En la �ltima parte del cuadro 20 se presentan algunos valores de la densidad de corriente en suelos de diferentes tipos.
En la mayor�a de los casos de tuber�as enterradas la protecci�n cat�dica se efect�a sobre ductos ya protegidos con un recubrimiento como pintura, alquitr�n, etc. La corriente de protecci�n resulta ser entonces un porcentaje peque�o con respecto a la necesaria para proteger a la estructura met�lica desnuda, pues deber� servir para proteger las partes en las que el revestimiento presenta defectos: poros, rasgu�os, imperfecciones, etc. La corriente de protecci�n resultar� m�s baja mientras mayor sea la eficiencia del recubrimiento.
Podemos definir la eficiencia del recubrimiento (j) como el porcentaje de la superficie met�lica efectivamente revestida o recubierta. Por ejemplo, si se dice que un recubrimiento tiene un 90% de eficiencia, querr� decir que hay un 10% de la superficie met�lica que est� descubierta, o sea no protegida por el recubrimiento y que, por tanto, se necesitar� s�lo un 10% de la corriente necesaria para proteger toda la estructura desnuda; entonces, la densidad de corriente de protecci�n es proporcional a la fracci�n de superficie descubierta o no protegida, y, en general, se puede formalizar de la siguiente manera:
R
= i( l -j ),
|
en donde: |
i= | la densidad de corriente de protecci�n de la estructura desnuda |
iR = |
la densidad de corriente de protecci�n de la estructura recubierta | |
| j= | la eficiencia del recubrimiento (fracci�n unitaria). |
Naturalmente, la eficiencia de un recubrimiento puede variar con el tiempo. Por ejemplo, para tuber�as enterradas sin mantenimiento puede pasar al 95 o al 90% despu�s de 10 o 20 a�os.
El envejecimiento es a�n m�s acelerado en estructuras que est�n en contacto con el agua del mar. Por ejemplo, en el caso de un barco bien revestido (con 5 capas de pintura), la eficiencia del recubrimiento puede pasar durante el primer a�o del 99.9 al 99% y as� sucesivamente, sin que se le d� un mantenimiento preventivo. Obviamente, adem�s del envejecimiento normal del recubrimiento, contribuyen a disminuir la eficiencia notablemente los da�os mec�nicos (abrasi�n) que por lo general son mayores en barcos grandes y veloces.
La eficiencia efectiva de recubrimientos porosos o da�ados mec�nicamente puede mejorar, cuando es posible la precipitaci�n de sales (carbonato de calcio e hidr�xido de magnesio), lo cual tiene lugar en agua de mar en las zonas descubiertas de la estructura, en las cuales se concentra la corriente de protecci�n.
Se dice que una estructura o, en ocasiones, alguna parte de la misma est� sobreprotegida cuando la densidad de corriente intercambiada en su superficie es mayor que la necesaria para una protecci�n completa. En general, esta condici�n sucede cuando la protecci�n cat�dica se efect�a mediante el sistema de corriente impresa.
Evidentemente la sobreprotecci�n debe evitarse, tanto porque implica un consumo in�til de electricidad, un mayor consumo del �nodo, etc., como, y especialmente, por el da�o indirecto que puede provocar: ampollamiento del recubrimiento, degradaci�n del mismo, desprendimiento de hidr�geno con posibilidad de fragilizaci�n del acero, etc. Por ejemplo, en agua de mar, cuando en la estructura que se quiere proteger se miden potenciales m�s negativos de -1150 mV vs. Cu/CuSO4 saturado, es se�al de una densidad de corriente demasiado elevada, por lo que pueden tener lugar efectos negativos en virtud de:
a) una alcalinizaci�n excesiva,
b) desprendimiento de hidr�geno.
A altas densidades de corriente tiene lugar la reducci�n del agua, seg�n:
H2 + 2 OH-, y
De hecho, en la superficie de la estructura protegida se obtienen valores de
pH de alrededor de 11, en virtud de que la reacci�n que tiene lugar en la estructura
protegida es la reducci�n del ox�geno:
4 OH-. En condiciones de sobreprotecci�n, el pH aumenta provocando la corrosi�n de aquellos metales como el Al, el Zn o el Pb y sobre todo, el ampollamiento o degradaci�n del recubrimiento.
La formaci�n de ampollas en el recubrimiento se produce en especial cuando, aunque sea localmente, tiene lugar el desprendimiento de hidr�geno. De hecho, si este gas se forma en alg�n defecto del recubrimiento de la superficie met�lica, puede llegar a ejercer una presi�n elevada y provocar el desprendimiento del recubrimiento y la base met�lica quedar desprotegida.
El ampollamiento del recubrimiento tambi�n puede ser provocado por la migraci�n del agua hacia la superficie met�lica a trav�s del recubrimiento, bajo la acci�n del campo el�ctrico (fen�meno de electro�smosis). En cualquier caso, el ampollamiento del recubrimiento debe ser evitado, para lo cual se da normalmente un l�mite inferior al potencial al cual debe llevarse la estructura. En el cuadro 21 se presentan los valores l�mites del potencial para diversos tipos de pinturas. Por ejemplo, la pintura hecha a base de minio no puede aplicarse sobre estructuras protegidas cat�dicamente ya que puede reducirse el �xido de plomo y destruirse la pintura.
CUADRO 21. Valor l�mite del potencial aplicado para diversos tipos de pintura
En general, sin embargo, las pinturas pueden aplicarse con �xito aun en condiciones de sobreprotecci�n cuando son muy adherentes y muy resistentes qu�micamente (se deben excluir por ejemplo las pinturas saponificables), adem�s de que deben poseer un espesor suficiente para aumentar la impermeabilidad. Existen discrepancias sobre el comportamiento de los primarios inorg�nicos de Zn que en general no se incluyen en la formulaci�n de los esquemas de pintado de las estructuras sumergidas en agua de mar y protegidas cat�dicamente. Sin duda, en condiciones de protecci�n normal, el primario inorg�nico de Zn se comporta bien y puede utilizarse por ejemplo en sistemas de protecci�n con �nodos de sacrificio de Zn o Al.
Por lo que se refiere a la influencia del espesor, en el cuadro 22 se indican los espesores m�nimos de varios tipos de pinturas que resisten a un potencial de -900 mV vs. Ag/AgCI (valor aceptado por la Compa��a de Seguros Lloyds para los cascos de los barcos). Estos valores parecen muy altos en cuanto a que, en la pr�ctica, se utilizan sin grandes problemas espesores mucho menores.
CUADRO 22. Espesores m�nimos para diversos esquemas de pintado resistentes a un potencial de -900 mV vs. Ag/AgCl
