Ánodo galvánico

Un ánodo galvánico , o ánodo de sacrificio , es el componente principal de un sistema de protección catódica galvánica que se utiliza para proteger las estructuras metálicas enterradas o sumergidas contra la corrosión .

Están fabricados con una aleación metálica que presenta un voltaje más "activo" ( potencial de reducción más negativo / potencial de oxidación más positivo ) que el metal de la estructura. La diferencia de potencial entre ambos metales provoca la corrosión del ánodo galvánico, que, en efecto, se "sacrifica" para proteger la estructura.

En resumen, la corrosión es una reacción química que ocurre mediante un mecanismo electroquímico (una reacción redox ). ^{[ 1 ]} Durante la corrosión del hierro o el acero hay dos reacciones: oxidación (ecuación 1 ), donde los electrones abandonan el metal (y el metal se disuelve, es decir, se produce una pérdida real de metal) y reducción, donde los electrones se utilizan para convertir el oxígeno y el agua en iones hidróxido (ecuación 2 ): ^{[ 2 ]}

En la mayoría de los entornos, los iones hidróxido y los iones ferrosos se combinan para formar hidróxido ferroso , que finalmente se convierte en el conocido óxido marrón: ^{[ 3 ]}

A medida que se produce la corrosión, ocurren reacciones de oxidación y reducción, formándose celdas electroquímicas en la superficie del metal, de modo que algunas áreas se vuelven anódicas (oxidación) y otras catódicas (reducción). Los electrones fluyen desde las áreas anódicas hacia el electrolito durante la corrosión del metal. Por el contrario, al fluir los electrones desde el electrolito hacia las áreas catódicas, la velocidad de corrosión disminuye. ^{[ 4 ]} (El flujo de electrones se produce en sentido contrario al de la corriente eléctrica ).

La corrosión puede presentarse de diversas formas, pero en su forma más simple se desarrolla así: a medida que el metal continúa corroyéndose, los potenciales locales en su superficie cambian, y las zonas anódica y catódica se modifican y desplazan. Como resultado, en los metales ferrosos se forma una capa general de óxido sobre toda la superficie, que eventualmente consume todo el metal. ^{[ 5 ]}

La prevención de la corrosión mediante protección catódica (PC) funciona introduciendo otro metal (el ánodo galvánico) con una superficie mucho más anódica, de modo que toda la corriente fluya desde el ánodo introducido y el metal a proteger se vuelva catódico en comparación con el ánodo. Las reacciones de oxidación en la superficie del metal principal siguen siendo posibles , pero liberan menos energía, requieren más energía de activación , o ambas cosas, por lo que se ven drásticamente desfavorecidas, ya que los electrones libres tienen muchas más probabilidades de tomar el camino "fácil" a través del ánodo galvánico. Esto detiene eficazmente la oxidación en la superficie estructural protegida al transferirla al ánodo, que se sacrificará con el tiempo. ^{[ 6 ]} Esto aprovecha la estabilidad relativamente baja de los metales magnesio, aluminio o zinc; se disuelven en lugar del hierro porque su enlace es más débil en comparación con el hierro, que está fuertemente unido a través de sus orbitales d parcialmente llenos.

Para que esta protección funcione, debe existir una vía electrónica entre el ánodo y el metal que se va a proteger (por ejemplo, un cable o contacto directo) y una vía iónica entre el agente oxidante (por ejemplo, oxígeno y agua o suelo húmedo) y el ánodo, y entre el agente oxidante y el metal que se va a proteger, formando así un circuito cerrado; por lo tanto, simplemente atornillar una pieza de metal activo como el zinc a un metal menos activo, como el acero dulce, en el aire (un mal conductor iónico) no proporcionará ninguna protección.

Existen tres metales principales que se utilizan como ánodos galvánicos: magnesio , aluminio y zinc . Todos ellos están disponibles en forma de bloques, varillas, placas o cintas extruidas. Cada material tiene sus ventajas y desventajas.

El magnesio tiene el electropotencial más negativo de los tres (véase la serie galvánica ) y es más adecuado para áreas donde la resistividad del electrolito (suelo o agua) es mayor. Esto suele ocurrir en tuberías terrestres y otras estructuras enterradas, aunque también se utiliza en barcos en agua dulce y en calentadores de agua. En algunos casos, el potencial negativo del magnesio puede ser una desventaja: si el potencial del metal protegido se vuelve demasiado negativo, la reducción del agua o de los protones solvatados puede generar átomos de hidrógeno en la superficie del cátodo , por ejemplo, según

lo que conduce a la fragilización por hidrógeno o al desprendimiento del recubrimiento. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Cuando esto es una preocupación, se pueden usar ánodos de zinc. Una aleación de aluminio-zinc-estaño llamada KA90 se usa comúnmente en aplicaciones marinas y de calentadores de agua. ^{[ 9 ]}

El zinc y el aluminio se utilizan generalmente en agua salada, donde la resistividad suele ser menor y el magnesio se disuelve con relativa rapidez por reacción con el agua mediante desprendimiento de hidrógeno (autocorrosión). Sus usos típicos incluyen los cascos de barcos y embarcaciones, oleoductos y plataformas de producción en alta mar, motores marinos refrigerados por agua salada, hélices y timones de pequeñas embarcaciones, y la superficie interna de tanques de almacenamiento.

El zinc se considera un material fiable, pero no es adecuado para su uso a temperaturas elevadas, ya que tiende a pasivarse (la capa de óxido formada protege de una mayor oxidación); si esto ocurre, la corriente puede dejar de fluir y el ánodo deja de funcionar. ^{[ 10 ]} El zinc tiene un voltaje de accionamiento relativamente bajo, lo que significa que en suelos o agua de alta resistividad puede que no pueda proporcionar suficiente corriente. Sin embargo, en algunas circunstancias —donde existe riesgo de fragilización por hidrógeno , por ejemplo— este voltaje más bajo resulta ventajoso, ya que se evita la sobreprotección. ^{[ 11 ]}

Los ánodos de aluminio presentan varias ventajas, como un menor peso y una capacidad mucho mayor que el zinc. Sin embargo, su comportamiento electroquímico no se considera tan fiable como el del zinc, por lo que se debe tener mayor cuidado en su uso. Los ánodos de aluminio se pasivan cuando la concentración de cloruro es inferior a 1446 partes por millón . ^{[ 12 ]}

Una desventaja del aluminio es que, si golpea una superficie oxidada, puede generarse una gran chispa termita , por lo que su uso está restringido en tanques donde puede haber atmósferas explosivas y existe el riesgo de que el ánodo se caiga. ^{[ 8 ]}

Dado que el funcionamiento de un ánodo galvánico se basa en la diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo, prácticamente cualquier metal puede utilizarse para proteger a otro, siempre que exista una diferencia de potencial suficiente. Por ejemplo, los ánodos de hierro pueden utilizarse para proteger el cobre. ^{[ 13 ]}

El diseño de un sistema de protección catódica con ánodo galvánico debe tener en cuenta muchos factores, entre ellos el tipo de estructura, la resistividad del electrolito (suelo o agua) en el que funcionará, el tipo de recubrimiento y la vida útil.

El cálculo principal consiste en determinar la cantidad de material de ánodo necesaria para proteger la estructura durante el tiempo requerido. Una cantidad insuficiente de material podría brindar protección durante un tiempo, pero requeriría reemplazos periódicos. Un exceso de material proporcionaría protección a un costo innecesario. La masa en kg se obtiene mediante la ecuación ( 5 ). ^{[ 14 ]}

• La vida útil del diseño se expresa en años (1 año = 8760 horas).
• El factor de utilización (FU) del ánodo es un valor constante que depende de su forma y de cómo está fijado, e indica cuánto del ánodo se puede consumir antes de que deje de ser efectivo. Un valor de 0,8 indica que se puede consumir el 80 % del ánodo antes de que deba reemplazarse. Un ánodo largo y delgado con soporte (instalado sobre patas para mantenerlo alejado de la estructura) tiene un valor de FU de 0,9, mientras que el FU de un ánodo corto y empotrado es de 0,8. ^{[ 14 ]}
• La capacidad del ánodo indica la cantidad de material que se consume a medida que fluye la corriente con el tiempo. El valor del zinc en agua de mar es de 780  Ah/kg, mientras que el del aluminio es de 2000  Ah/kg ^{[ 14 ]} , lo que refleja la menor masa atómica del aluminio y significa que, en teoría, el aluminio puede producir mucha más corriente por peso que el zinc antes de agotarse. Este es uno de los factores a considerar al elegir un material en particular.

La cantidad de corriente requerida se corresponde directamente con la superficie del metal expuesta al suelo o al agua, por lo que la aplicación de un recubrimiento reduce drásticamente la masa de material de ánodo necesaria. Cuanto mejor sea el recubrimiento, menor será la cantidad de material de ánodo requerida.

Una vez conocida la masa de material requerida, se elige el tipo de ánodo adecuado. Los ánodos de diferentes formas presentan una resistencia a tierra distinta, lo que determina la cantidad de corriente que se puede generar; por lo tanto, se calcula la resistencia del ánodo para asegurar que haya suficiente corriente disponible. Si la resistencia del ánodo es demasiado alta, se elige un ánodo de diferente forma o tamaño, o bien se debe utilizar una mayor cantidad de ánodos. ^{[ 14 ]}

La disposición de los ánodos se planifica para lograr una distribución uniforme de la corriente en toda la estructura. Por ejemplo, si un diseño específico indica que una tubería de 10 kilómetros (6,2 millas) de longitud necesita 10 ánodos, entonces aproximadamente un ánodo por kilómetro sería más eficaz que colocar los 10 ánodos en un extremo o en el centro. 

Dado que los materiales del ánodo suelen ser más costosos que el hierro, este método para proteger estructuras metálicas ferrosas podría no parecer especialmente rentable. Sin embargo, también deben considerarse los costos de reparación de un casco corroído o la sustitución de una tubería o tanque de acero cuya integridad estructural se haya visto comprometida por la corrosión.

Sin embargo, la rentabilidad de un sistema galvánico tiene sus límites. En estructuras de mayor tamaño, como tuberías largas, se pueden necesitar tantos ánodos que resultaría más rentable instalar protección catódica por corriente impresa .

El método básico consiste en producir ánodos de sacrificio mediante un proceso de fundición. Sin embargo, se pueden distinguir dos métodos de fundición. ^{[ 15 ]}

El proceso de fundición a alta presión para ánodos de sacrificio está muy extendido. Se trata de un proceso totalmente automatizado. Para que la fabricación sea fiable y repetible, es necesaria una modificación de la aleación del ánodo de sacrificio. Como alternativa, se utiliza el proceso de fundición por gravedad para la producción de los ánodos de sacrificio. Este proceso se realiza de forma manual o parcialmente automatizada. La aleación no tiene por qué adaptarse al proceso de fabricación, sino que está diseñada para ofrecer una protección anticorrosión óptima.

• Corrosión galvánica

• AW Peabody, Control de la corrosión de tuberías según Peabody, 2.ª ed., 2001, NACE International. ISBN 1-57590-092-0
• Shreir LL et al., Corrosión Vol. 2, 3.ª ed., 1994, ISBN 0-7506-1077-8
• Baeckmann, Schwenck, Prinz. Manual de protección catódica contra la corrosión, 3ª ed. 1997.ISBN​ 0-88415-056-9
• Práctica recomendada de Det Norske Veritas para el diseño de protección catódica "DNV RP-B401-2005" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 23 de marzo de 2021.

https://www.youtube.com/watch?v=kRh5r_7alf4