Protección catódica

En la aplicación de la protección catódica pasiva , se coloca un ánodo galvánico , una pieza de un metal electroquímicamente más activo ( con un potencial de electrodo más negativo ), sobre la superficie metálica vulnerable, donde queda expuesta a un electrolito. Se eligen los ánodos galvánicos porque tienen un voltaje más activo que el metal de la estructura objetivo (generalmente acero).

El hormigón tiene un pH de alrededor de 13. En este entorno, el acero de refuerzo posee una capa protectora pasiva y permanece prácticamente estable. Los sistemas galvánicos son sistemas de "potencial constante" que buscan restaurar el entorno protector natural del hormigón mediante una corriente inicial elevada que restablece la pasividad. Posteriormente, la corriente se reduce a una corriente de sacrificio menor, mientras que los iones cloruro negativos dañinos migran desde el acero hacia el ánodo positivo. Los ánodos permanecen reactivos durante toda su vida útil (normalmente de 10 a 20 años), aumentando la corriente cuando la resistividad disminuye debido a riesgos de corrosión como la lluvia, el aumento de la temperatura o las inundaciones. La naturaleza reactiva de estos ánodos los convierte en una opción eficiente.

A diferencia de los sistemas de protección catódica por corriente impresa (ICCP), el objetivo no es la polarización constante del acero, sino la restauración del entorno. La polarización de la estructura objetivo es causada por el flujo de electrones del ánodo al cátodo, por lo que los dos metales deben tener un buen contacto eléctricamente conductor . La fuerza impulsora de la corriente de protección catódica es la diferencia de potencial de electrodo entre el ánodo y el cátodo. ^{[ 9 ]} Durante la fase inicial de alta corriente, el potencial de la superficie del acero se polariza (empuja) hacia valores más negativos, protegiendo el acero, cuya generación de iones hidróxido en la superficie del acero y migración iónica restauran el entorno del hormigón.

Con el tiempo, el ánodo galvánico continúa corroyéndose, consumiendo el material del ánodo hasta que finalmente debe ser reemplazado.

Los ánodos galvánicos o de sacrificio se fabrican en diversas formas y tamaños utilizando aleaciones de zinc , magnesio y aluminio . ASTM International publica normas sobre la composición y fabricación de ánodos galvánicos. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

Para que la protección catódica galvánica funcione, el ánodo debe tener un potencial de electrodo menor (es decir, más negativo) que el del cátodo (la estructura que se desea proteger). La tabla siguiente muestra una serie galvánica simplificada que se utiliza para seleccionar el metal del ánodo. ^{[ 13 ]} El ánodo debe elegirse de un material que se encuentre más abajo en la lista que el material que se desea proteger.

En algunos casos, se utilizan sistemas de protección catódica por corriente impresa (ICCP). Estos consisten en ánodos conectados a una fuente de alimentación de CC, a menudo un transformador-rectificador conectado a una fuente de alimentación de CA. En ausencia de una fuente de alimentación de CA, se pueden utilizar fuentes de alimentación alternativas, como paneles solares, energía eólica o generadores termoeléctricos a gas. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Los ánodos para sistemas ICCP están disponibles en diversas formas y tamaños. Los ánodos más comunes son tubulares, en forma de varilla sólida o en forma de cinta continua de diversos materiales. Entre ellos se incluyen silicio de alta pureza , hierro fundido , grafito , óxido metálico mixto (MMO), platino , alambre recubierto de niobio y otros materiales.

En el caso de los oleoductos, los ánodos se disponen en lechos de tierra, ya sea distribuidos o en un orificio vertical profundo, dependiendo de varios factores de diseño y de las condiciones del terreno, incluidos los requisitos de distribución de corriente.

Las unidades transformadoras rectificadoras de protección catódica suelen fabricarse a medida y equiparse con diversas características, como monitorización y control remotos, interruptores de corriente integrados y distintos tipos de envolventes eléctricas . El terminal negativo de salida de CC se conecta a la estructura que se protegerá mediante el sistema de protección catódica. ^{[ 16 ]} El cable positivo de salida de CC del rectificador se conecta a los ánodos . El cable de alimentación de CA se conecta a los terminales de entrada del rectificador.

La salida del sistema ICCP debe optimizarse para proporcionar suficiente corriente para proteger la estructura objetivo. Algunas unidades de transformador-rectificador de protección catódica están diseñadas con tomas en los devanados del transformador y terminales de puente para seleccionar la tensión de salida del sistema ICCP. Las unidades de transformador-rectificador de protección catódica para tanques de agua y utilizadas en otras aplicaciones están hechas con circuitos de estado sólido para ajustar automáticamente la tensión de operación para mantener la salida de corriente óptima o el potencial estructura-electrolito . ^{[ 17 ]} A menudo se instalan medidores analógicos o digitales para mostrar las tensiones de operación (CC y a veces CA) y la salida de corriente. Para estructuras costeras y otras estructuras objetivo grandes y complejas, los sistemas ICCP a menudo se diseñan con múltiples zonas independientes de ánodos con circuitos de transformador-rectificador de protección catódica separados.

Los sistemas híbridos utilizan una combinación de los sistemas mencionados anteriormente para lograr algunas de las ventajas de ambos, aprovechando las capacidades restauradoras de los sistemas ICCP pero manteniendo la naturaleza reactiva, de menor coste y de más fácil mantenimiento de un ánodo galvánico.

El sistema se compone de ánodos galvánicos cableados dispuestos en matrices separadas típicamente por 400 milímetros (16 pulgadas) , que se alimentan inicialmente durante un breve período para restaurar el hormigón e impulsar la migración iónica. Posteriormente, se retira la alimentación y los ánodos se fijan al acero como un sistema galvánico. Se pueden administrar fases de alimentación adicionales si es necesario. Al igual que en los sistemas galvánicos, se puede utilizar el monitoreo de la tasa de corrosión mediante pruebas de polarización y mapeo del potencial de semicelda para medir la corrosión. La polarización no es el objetivo durante la vida útil del sistema. ^{[ 18 ]} 

Esta tecnología también se utiliza para proteger los calentadores de agua . Los electrones enviados por el ánodo de corriente impuesta (compuesto de titanio y recubierto con MMO) evitan que el interior del tanque se oxide. ^{[ 19 ]}

Para ser reconocidos como efectivos, estos ánodos deben cumplir con ciertos estándares: Un sistema de protección catódica se considera eficiente cuando su potencial alcanza o supera los límites establecidos por los criterios de protección catódica . Los criterios de protección catódica utilizados provienen del estándar NACE SP0388-2007 (anteriormente RP0388-2001) de la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión (NACE). ^{[ 20 ]}

Los oleoductos que transportan productos peligrosos suelen estar protegidos mediante un revestimiento complementado con protección catódica. Un sistema de protección catódica por corriente impresa (ICCP) para un oleoducto consta de una fuente de alimentación de CC, a menudo un rectificador de transformador alimentado por CA, y un ánodo, o un conjunto de ánodos enterrados en el suelo (el lecho de puesta a tierra del ánodo ).

La fuente de alimentación de CC normalmente tendría una salida de CC de hasta 50 amperios y 50 voltios , pero esto depende de varios factores, como el tamaño de la tubería y la calidad del recubrimiento. El terminal de salida de CC positivo se conectaría mediante cables al conjunto de ánodos, mientras que otro cable conectaría el terminal negativo del rectificador a la tubería, preferiblemente a través de cajas de conexiones para permitir la toma de mediciones. ^{[ 21 ]}

Los ánodos pueden instalarse en una base de tierra consistente en un orificio vertical relleno con coque conductor (un material que mejora el rendimiento y la vida útil de los ánodos) o bien en una zanja preparada, rodeada de coque conductor y rellena. La elección del tipo y tamaño de la base de tierra depende de la aplicación, la ubicación y la resistividad del suelo. ^{[ 22 ]}

La corriente de protección catódica de CC se ajusta al nivel óptimo tras realizar diversas pruebas, incluidas mediciones de potenciales tubería-suelo o potencial de electrodo .

Al diseñar el sistema, y ​​periódicamente después de la instalación, los ingenieros realizarán una campaña de medición inicial. Durante esta campaña, se desconectarán todos los sistemas de protección activos existentes en la zona (o la mayor cantidad posible) y se registrará el potencial natural entre la tubería y el electrodo. Esta medición proporcionará información sobre cómo se puede dividir la tubería en sistemas eléctricos, cuántos ánodos y rectificadores serán necesarios y dónde deben ubicarse.

En ocasiones, resulta más económico proteger una tubería mediante ánodos galvánicos (de sacrificio). Esto suele ocurrir en tuberías de menor diámetro y longitud limitada. ^{[ 23 ]} Los ánodos galvánicos se basan en los potenciales de serie galvánicos de los metales para impulsar la corriente de protección catódica desde el ánodo hacia la estructura que se protege.

Las tuberías de agua fabricadas con diversos materiales también se equipan con protección catódica cuando los propietarios determinan que el coste es razonable en relación con la prolongación prevista de la vida útil de la tubería gracias a la aplicación de dicha protección.

La protección catódica en los buques se implementa a menudo mediante ánodos galvánicos fijados al casco y protección catódica por contacto (ICCP) para buques de mayor tamaño. Dado que los buques se sacan del agua periódicamente para inspecciones y mantenimiento, la sustitución de los ánodos galvánicos es una tarea sencilla. ^{[ 24 ]}

Los ánodos galvánicos generalmente tienen una forma que reduce la resistencia en el agua y se instalan al ras del casco para intentar también minimizar la resistencia. ^{[ 25 ]}

Las embarcaciones más pequeñas, con cascos no metálicos, como los yates , están equipadas con ánodos galvánicos para proteger zonas como los motores fueraborda . Al igual que con toda protección catódica galvánica, esta aplicación requiere una conexión eléctrica sólida entre el ánodo y el componente que se desea proteger.

Para la protección ICCP en buques, los ánodos suelen estar construidos con un material relativamente inerte, como el titanio platinizado . Se proporciona una fuente de alimentación de CC dentro del buque y los ánodos se montan en el exterior del casco. Los cables de los ánodos se introducen en el buque mediante un racor de sellado por compresión y se dirigen a la fuente de alimentación de CC. El cable negativo de la fuente de alimentación simplemente se conecta al casco para completar el circuito. Los ánodos ICCP de los buques se montan a ras, minimizando los efectos de la resistencia sobre el buque, y se ubican a un mínimo de 5 pies por debajo de la línea de carga  ligera ^{[ 26 ]} en un área para evitar daños mecánicos. La densidad de corriente requerida para la protección es función de la velocidad y se considera al seleccionar la capacidad de corriente y la ubicación de la colocación del ánodo en el casco.

Algunos buques pueden requerir un tratamiento especializado; por ejemplo, los cascos de aluminio con fijaciones de acero crean una celda electroquímica donde el casco de aluminio actúa como ánodo galvánico, lo que intensifica la corrosión. En estos casos, se pueden utilizar ánodos galvánicos de aluminio o zinc para compensar la diferencia de potencial entre el casco de aluminio y la fijación de acero. ^{[ 27 ]} Si las fijaciones de acero son grandes, pueden ser necesarios varios ánodos galvánicos, o incluso un pequeño sistema ICCP.

La protección catódica marina abarca numerosas áreas, como muelles , puertos y estructuras en alta mar . La variedad de tipos de estructuras da lugar a diversos sistemas de protección. Se prefieren los ánodos galvánicos ^{[ 28 ]} , pero también se suele utilizar la protección catódica por contacto intermitente (ICCP). Debido a la gran diversidad de geometrías, composiciones y arquitecturas estructurales, a menudo se requieren empresas especializadas para diseñar sistemas de protección catódica específicos para cada estructura. En ocasiones, las estructuras marinas requieren modificaciones posteriores para lograr una protección eficaz ^{[ 29 ].}

La aplicación al refuerzo de hormigón es ligeramente diferente, ya que los ánodos y los electrodos de referencia suelen estar embebidos en el hormigón durante la construcción, cuando se vierte el hormigón. La técnica habitual para edificios, puentes y estructuras similares de hormigón es utilizar ICCP, ^{[ 30 ]} pero también existen sistemas que utilizan el principio de protección catódica galvánica, ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} aunque, al menos en el Reino Unido, el uso de ánodos galvánicos para estructuras de hormigón armado expuestas a la atmósfera se considera experimental. ^{[ 34 ]}

Para ICCP, el principio es el mismo que para cualquier otro sistema ICCP. Sin embargo, en una estructura de hormigón típica expuesta a la intemperie, como un puente, habrá muchos más ánodos distribuidos a lo largo de la estructura en comparación con una matriz de ánodos como la que se usa en una tubería. Esto hace que el sistema sea más complejo y, por lo general, se utiliza una fuente de alimentación de CC controlada automáticamente, posiblemente con la opción de monitoreo y operación remotos. ^{[ 35 ]} Para estructuras enterradas o sumergidas, el tratamiento es similar al de cualquier otra estructura enterrada o sumergida.

Los sistemas galvánicos ofrecen la ventaja de ser más fáciles de adaptar y no necesitan ningún sistema de control, a diferencia de los sistemas ICCP.

Para tuberías construidas con tubería cilíndrica de hormigón pretensado (PCCP), las técnicas utilizadas para la protección catódica son generalmente las mismas que para las tuberías de acero, excepto que el potencial aplicado debe limitarse para evitar daños al alambre de pretensado. ^{[ 36 ]}

El alambre de acero en una tubería PCCP está sometido a tal tensión que cualquier corrosión puede provocar su fallo. Un problema adicional es que un exceso de iones de hidrógeno, como resultado de un potencial excesivamente negativo, puede causar fragilización por hidrógeno del alambre, lo que también provoca su fallo. El fallo de demasiados alambres resultará en un fallo catastrófico de la tubería PCCP. ^{[ 37 ]} Por lo tanto, la implementación de ICCP requiere un control muy cuidadoso para garantizar una protección satisfactoria. Una opción más sencilla es utilizar ánodos galvánicos, que son autolimitantes y no requieren control. ^{[ 38 ]}

Los recipientes, tuberías y tanques (incluidos los tanques de lastre ) que se utilizan para almacenar o transportar líquidos también pueden protegerse de la corrosión en sus superficies internas mediante el uso de protección catódica. ^{[ 39 ] [ 40 ]} Se pueden utilizar sistemas ICCP y galvánicos. ^{[ 41 ]} Una aplicación común de la protección catódica interna son los tanques de almacenamiento de agua y los intercambiadores de calor de carcasa y tubos de las centrales eléctricas .

La galvanización generalmente se refiere a la galvanización por inmersión en caliente , que es una forma de recubrir el acero con una capa de zinc o estaño metálico. A menudo se añaden plomo o antimonio al baño de zinc fundido, ^{[ 42 ]} y también se han estudiado otros metales. ^{[ 43 ]} Los recubrimientos galvanizados son bastante duraderos en la mayoría de los entornos porque combinan las propiedades de barrera de un recubrimiento con algunos de los beneficios de la protección catódica. ^{[ 44 ]} Si el recubrimiento de zinc se raya o se daña localmente y el acero queda expuesto, las áreas circundantes del recubrimiento de zinc forman una celda galvánica con el acero expuesto y lo protegen de la corrosión. ^{[ 45 ]} Esta es una forma de protección catódica localizada: el zinc actúa como un ánodo de sacrificio. ^{[ 46 ]}

Aunque el galvanizado utiliza el principio electroquímico de protección catódica, en realidad no es una protección catódica, sino de sacrificio. En el caso del galvanizado, solo se protegen las zonas muy cercanas al zinc. Por lo tanto, una mayor superficie de acero desnudo solo quedaría protegida en los bordes.

Varias empresas comercializan dispositivos electrónicos que afirman mitigar la corrosión en automóviles y camiones. ^{[ 47 ]} Los profesionales del control de la corrosión han constatado que no funcionan. ^{[ 48 ]} No existe ninguna prueba científica revisada por pares ni validación que respalde el uso de estos dispositivos. En 1996, la FTC ordenó a David McCready, vendedor de dispositivos que supuestamente protegían los automóviles de la corrosión, pagar una indemnización y prohibió los nombres "Rust Buster" y "Rust Evader". ^{[ 49 ]}

Según el artículo 74.01(1)(b) de la Ley de Competencia de Canadá , no se pueden hacer afirmaciones sobre el rendimiento o la eficacia de un producto a menos que se demuestre que se basan en pruebas adecuadas y apropiadas. ^{[ 50 ]} La Oficina de Competencia de Canadá procedió a investigar a varias empresas que vendían dispositivos electrónicos anticorrosión en Canadá. Algunas se vieron obligadas a retirar sus productos del mercado al no poder respaldar científicamente sus afirmaciones.

Un efecto secundario de la protección catódica aplicada incorrectamente es la producción de hidrógeno atómico ^{[ 53 ]} , lo que provoca su absorción en el metal protegido y la consiguiente fragilización por hidrógeno de las soldaduras y los materiales de alta dureza. En condiciones normales, el hidrógeno atómico se combina en la superficie del metal para crear hidrógeno gaseoso, que no puede penetrar en el metal. Sin embargo, los átomos de hidrógeno son lo suficientemente pequeños como para atravesar la estructura cristalina del acero y, en algunos casos, pueden provocar fragilización por hidrógeno.

Este es un proceso de desprendimiento de recubrimientos protectores de la estructura protegida (cátodo) debido a la formación de iones de hidrógeno sobre la superficie del material protegido (cátodo). ^{[ 54 ]} El desprendimiento puede verse exacerbado por un aumento de iones alcalinos y un aumento de la polarización catódica. ^{[ 55 ]} El grado de desprendimiento también depende del tipo de recubrimiento, ya que algunos recubrimientos se ven más afectados que otros. ^{[ 56 ]} Los sistemas de protección catódica deben operarse de manera que la estructura no se polarice excesivamente, ^{[ 57 ]} ya que esto también promueve el desprendimiento debido a potenciales excesivamente negativos. El desprendimiento catódico ocurre rápidamente en tuberías que contienen fluidos calientes porque el proceso se acelera por el flujo de calor.

La eficacia de los sistemas de protección catódica (PC) en tuberías de acero puede verse afectada por el uso de recubrimientos dieléctricos con respaldo de película sólida, como cintas de polietileno, manguitos termorretráctiles para tuberías y recubrimientos de película sólida simples o múltiples aplicados en fábrica. Este fenómeno se produce debido a la alta resistividad eléctrica de estos respaldos de película. ^{[ 58 ]} La corriente eléctrica de protección del sistema de protección catódica se bloquea o se ve impedida de llegar al metal subyacente por el respaldo de película altamente resistivo. El apantallamiento catódico se definió por primera vez en la década de 1980 como un problema, y ​​desde entonces se han publicado regularmente artículos técnicos sobre el tema.

Un informe de 1999 ^{[ 59 ]} sobre un derrame de 20.600 bbl (3.280 m³ ^{) de un oleoducto} de crudo de Saskatchewan contiene una excelente definición del problema del blindaje catódico:  

La triple situación de desprendimiento del recubrimiento (de corrosión), la naturaleza dieléctrica del recubrimiento y el entorno electroquímico único que se establece bajo el recubrimiento exterior, el cual actúa como escudo para la corriente de protección catódica (PC), se denomina apantallamiento de PC. La combinación de desprendimiento y formación de capas permite que un entorno corrosivo alrededor del exterior de la tubería penetre en el espacio entre el recubrimiento exterior y la superficie de la tubería. Con el desarrollo de este fenómeno de apantallamiento de PC, la corriente impresa del sistema de PC no puede acceder al metal expuesto bajo el recubrimiento exterior para proteger la superficie de la tubería de las consecuencias de un entorno corrosivo agresivo. El fenómeno de apantallamiento de PC induce cambios en el gradiente de potencial del sistema de PC a través del recubrimiento exterior, que se acentúan aún más en áreas con una corriente de PC insuficiente o deficiente proveniente del sistema de PC de la tubería. Esto produce un área en la tubería con una protección de PC insuficiente contra la pérdida de metal, agravada por un entorno corrosivo exterior.

El blindaje catódico se menciona en varias de las normas que se enumeran a continuación. La nueva normativa del USDOT, Título 49 CFR 192.112 , en la sección de Requisitos de diseño adicionales para tuberías de acero que utilizan una presión de operación máxima admisible alternativa, exige que "La tubería debe estar protegida contra la corrosión externa mediante un recubrimiento que no sea de blindaje" (véase la sección de recubrimientos de la norma). Asimismo, la norma NACE SP0169:2007 define el blindaje en la sección 2, advierte contra el uso de materiales que crean blindaje eléctrico en la sección 4.2.3, advierte contra el uso de recubrimientos externos que crean blindaje eléctrico en la sección 5.1.2.3 e instruye a los lectores a tomar "medidas apropiadas" cuando se detectan los efectos del blindaje eléctrico de la corriente de protección catódica en una tubería en operación en la sección 10.9.