CARACTERIZACION ANTELA CORROSION ATMOSFERICA DEL …

CARACTERIZACION ANTE LA CORROSION ATMOSFERICA DEL ACERO AUTO PROTECTOR

A 588

JUAN CARLOS MONTES ATUESTA.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ, D. C.

2009

CARACTERIZACION ANTE LA CORROSION ATMOSFERICA DEL ACERO AUTO PROTECTOR

A 588

JUAN CARLOS MONTES ATUESTA

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico.

Asesor WILSON A. HORMAZA R.

Ingeniero Mecánico. Dr. Ing.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ, D. C.

2009

CONTENIDO.

INTRODUCCION.

1 OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL.

1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS.

2 MARCO TEORICO.

2.1 CORROSION.

2.2 IMPORTANCIA ECONOMICA DEL LA CORROSION

2.3 MECANISMOS BASICOS.

2.3.1 Corrosión atmosférica debida a la humedad (capas de absorción).

2.3.2 Corrosión atmosférica debida a la humedad (capas de fase).

2.3.3 Deposición de Contaminantes.

2.3.4 Productos de la corrosión.

2.4 FORMAS DE CORROSION.

2.4.1 Corrosión Uniforme.

2.4.2 Corrosión Galvánica.

2.4.3 Corrosión por Picadura (Pitting Corrosion).

2.4.4 Corrosión por F isuras.

2.4.5 Corrosión I ntergranular.

2.4.6 Corrosión por pérdida selectiva. (Dealloying).

2.4.7 Corrosión por Erosión.

2.4.8 Corrosión por Cav itación.

2.4.9 Corrosión Bajo Tensión. 2.4.10 Corrosión por Fatiga.

2.4.11 Corrosión por Fricción.

2.4.12 Corrosión debida al ataque por hidrogeno.

2.4.13 Corrosión microbiológ ica.

2.5 CORROSION ATMOSFERICA.

2.6 ENSAYOS DE CORROSION

2.6.1 Pruebas de laboratorio. 2.6.1. 1 Pruebas de inmersión.

2.6.1. 2 Pruebas de Humedad. Pruebas de niebla dispersa.

2.6.1. 3 Pruebas en cámara de atmosfera simulada.

2.6.2 Campo Abierto.

2.7 ACEROS AL CARBONO.

2.8 ACEROS AUTO PROTECTORES.

2.8.1 Mecanismo Electroquímico de la formación de la patina.

3 MATERIALES Y METODOS

3.1 MATERIALES.

3.2 METODOS. 3.2.1 Análisis de Composición Química

. 3.2.2 Ensayo de Dureza.

3.2.3 Ensayo de Dureza.

3.2.4 Microscopia Electrónica de Barrido (SEM).

3.2.5 Ensayo de Tensión.

3.2.6 Ensayo de Velocidad de Corrosión.

3.2.7 Ensayo de FTIR (Espectroscopia de infrarrojos por transformada de

Fourier).

3.2.8 Estación de corrosión Atmosférica.

3.2.9 Ensayo de Cámara de Atmosfera Simulada (Cámara Salina).

4. RESULTADOS Y DISCUCIONES.

4.1 Análisis de Composición Química.

4.2 Ensayo de Dureza.

4.3 Ensayo de Tensión.

4.4 Análisis Metalografico.

4.5 Ensayo de Velocidad de corrosión. 4.6 Ensayo de FTIR (Espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier).

4.7 Ensayos de corrosión.

5. CONCLUSIONES.

6. BIBLIOGRAFIA.

LISTA DE TABLAS.

Pag.

Tabla 1. Clasificación de Ácidos y bases, fuertes y suaves. 22.

Tabla 2. Pruebas de corrosión atmosférica según los objetivos a seguir. 39.

Tabla 3. Cronograma de retiros de las probetas para la estación de corrosión atmosférica

ubicada en la ciudad de Bogotá. 54.

Tabla 4. Composición química del acero AISI/SAE 1016 (% en peso). 57.

Tabla 5. .Durezas Rockwell B para el acero A588. 58.

Tabla 6. Resultados de los ensayos de tensión realizados al acero A588. E [GPa]; Sy [MPa]; Sut [MPa]. 59.

Tabla 7. Densidad de inclusiones en el Acero A588. 60.

Tabla 8. Valores Constantes usados para determinar la velocidad de corrosión. 63.

Tabla 9. Resultados de la velocidad de corrosión en mm/año. 63.

LISTA DE FIGURAS.

Pag.

Figura 1. Costos en dólares asociados a la corrosión según el sector industrial. 16.

Figura 2. Celda de Corrosión, Flujo de electrones del Ánodo hacia el Cátodo. 17.

Figura 3. Esquema de la corrosión de un metal. Formación de iones en el área anódica,

desprendimiento de hidrogeno en el área catódica. 18.

Figura 4. Gotas de roció sobre una superficie metálica. 19.

Figura 5. Esquema del efecto de la lluvia sobre una superficie metálica. 20.

Figura 6. Capa de niebla sobre la estructura metálica del Golden Gate en 21.

San Francisco.

Figura 7. Ilustración esquemática de los procesos que ocurren en la capa acuosa. 23.

Figura 8. . a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión uniforme. b‐) Ataque por corrosión uniforme en una tubería. 24.

Figura 9. a ‐) Se observa cómo actúa la corrosión galvánica. b‐) Se observa el ataque sobre la

unión de una tubería debido a la corrosión galvánica. 25.

Figura 10. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por picadura. a‐) Se observa

la corrosión generada en zonas específicas debida al ataque corrosivo por picadura. 26.

Figura 11. . a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por fisuras. a‐) Se observa

el ataque de una superficie metálica debido a la corrosión por fisuras. 27.

Figura 12. a‐) Se observa cómo actúa la corrosión Intergranular. b‐) Se observa el ataque

corrosivo en las fronteras de grano. 27.

Figura 13. . a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por pérdida selectiva de

material. b‐) Se observa este tipo de ataque en la parte interna de una tubería. 28.

Figura 14. . a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por erosión. b‐) Se observa el ataque de la corrosión por erosión en el interior de una tubería. 28.

Figura 15. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por cav itación. b‐) Se observa el daño sobre un pistón debido a este tipo de ataque. 29.

Figura 16. . a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión bajo tensión. b‐) Se observa el ataque corrosivo de una muestra de latón sometida a esfuerzos de tensión. 30.

Figura 17. . a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por fatiga. b‐) Se observa el

ataque debido a la corrosión por fatiga en una pieza metálica. 30.

Figura 18. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por fricción. b‐) Se observa el efecto de la corrosión por fricción en la cara externa de

un rodamiento rígido de bolas. 31.

Figura 19. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión debida al ataque por

hidrogeno. b ‐) Se observa el ataque en la tubería de una caldera, la flecha indica la dirección del flujo. 31.

Figura 20. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión microbiológ ica. b‐) Se

observa el deterioro del metal debido al ataque por corrosión microbiológ ica. 32.

Figura 21. .a‐) Estadística de fa llas en una planta de procesos químicos. En Alemania. b‐) En

Estados Unidos. 33.

Figura 22. Tanque de inmersión de 24 in de diámetro, contiene 300L de una solución saturada

de H2S. 35.

Figura 23. Cámara para pruebas de humedad HYGROTHERM 519 FA/SA de Erichsen. 36,.

Figura 24. Cámara de Atmosfera simulada, en ella se observa la ubicación de las probetas, la formación de la niebla y el tanque de solución Salina. 37.

Figura 25. Montaje para pruebas de corrosión atmosférica. 38.

Figura 26. Diagrama Fe‐Fe3 C. 41.

Figura 27. Acero de bajo carbono C 0.2 (wt%). Normalizado a 1000⁰C. 41.

Figura 28. Acero de medio Carbono Fe, C 0.4 (wt%). Hipoeutectoide normalizado a 1100⁰C. 42.

Figura 29. Acero Alto Carbono Fe, C 1.0 (wt%). Aleación Hipereutectoide. 42.

Figura 30. Curva tiempo/corrosión. Se muestra el comportamiento relativo en un ambiente

semi‐ industrial para un acero auto protector y un acero al carbono. 43.

Figura 31. Diagrama esquemático del mecanismo electroquímico de la formación de la patina en un ambiente contaminado por SO2. 45.

Figura 32. Probetas de acero A588 después de realizar la limpieza superficial. 47.

Figura 33. Espectrómetro de emisión óptica, ARL Quantodesk. 48.

Figura 34. Durómetro Wilson Rockwell Instron Series 600. 49.

Figura 35. . a‐) Buehler Simplimet 2, b‐)Buehler Handimet 2 c‐)Buehler Ecomet 6 y d‐)Microscopio óptico Leitz Metallux. 49.

Figura 36. Microscopio electrónico de barrido. 50.

Figura 37. Maquina de ensayos universales Instron 5586. 50.

Figura 38. Curva de Extrapolación de Tafel. 52.

Figura 39. Potenciostato/Galvanostato Autolab PGSTAT 128N. 52.

Figura 40. Electrodo de Trabajo. 52.

Figura 41. Espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier.

Equipo Nicolet 380 FT‐I R. 53.

Figura 42. . a‐) Diseño del montaje de la estación de corrosión. b‐) posición de las probetas sobre el montaje. c ‐) Montaje Final, ubicación permanente de la estación

de corrosión. 54.

Figura 43. Esquema simplificado de la cámara salina. 55.

Figura 44. Cámara de atmosfera simulada (cámara salina). 56.

Figura 45. a‐) Esquema de indentaciones realizadas en el ensayo de dureza. b‐) Probeta usada

en el ensayo. 57.

Figura 46. Curva esfuerzo‐deformación Acero A588. Ensayo N⁰ 1. 59.

Figura 47. Curva esfuerzo‐deformación Acero A588. Ensayo N⁰ 2. 59.

Figura 48. a‐) Amplificación de la superficie del Acero A588 a 1600x. 60.

Figura 49. Espectro de composición química encontrado en la inclusión 1

del Acero A588. 61

Figura 50. Espectro de composición química encontrado en la inclusión 2

del Acero A588. 61.

Figura 51. a‐) Micrografía corte transversal 500x. b‐) Micrografía corte

transversal 3000x. (SEM) 62.

Figura 52. a‐) Micrografía corte longitudinal 500x. b‐) Micrografía corte

longitudinal 3000x (SEM). 62.

Figura 53. Curva de polarización lineal para solución en medio salino (NaCl) y en medio Acuoso (H2O). 63.

Figura 54. Valores Pico de la prueba de FTIR. 64.

Figura 55. Perdidas de Peso [g] contra tiempo se exposición [días]. 65.

Figura 56. Lluv ias promedio mensuales para el año 2009. 66.

Figura 57. Temperatura media mensual para el año 2009. 67.

Figura 58. Humedad relativa promedio mensual para el año 2009. 67.

Figura 59. PROBETA # 1 – 22 Días de exposición.. 68.

Figura 60. PROBETA # 4 – 44 Días de exposición. 68.





Figura 65. Tasa de Corrosión para el Acero A588. 70.

Figura 66. Modelo del comportamiento de la tasa de corrosión del Acero A588. 71.

Figura 67. PROBETA 30 Horas de exposición en cámara Salina. 72.

Figura 68. PROBETA 80 Horas de exposición en cámara Salina. 72.

Figura 69. Perdidas de Peso [g] contra tiempo se exposición [Horas]. 72.

Figura 70. Tasa de Corrosión para el Acero A 588 en Atmosferas marinas. 73.

Figura 71. Modelo del comportamiento de la tasa de corrosión del Acero A 588. 74.

INTRODUCCION

La corrosión se puede definir como la destrucción de un materia l debido a su interacción con el ambiente que lo rodea. Este tipo de degradación en los materiales está presente en todo momento y en todo lugar sin importar las condiciones ambientales, ya que dependiendo de estas, se tienen diferentes tipos y mecanismos de corrosión. La importancia que tiene este fenómeno en la ingeniería adquiere magnitudes significativas ya que los costos asociados son muy altos. La corrosión causa entre otras cosas, la falla de componentes, pérdidas y contaminación de productos, reducción en la eficiencia de la producción, costos extras en mantenimiento y una reducción en la seguridad de operación de los componentes, conv irtiéndose en un aspecto clave para la ingeniería moderna.

Esta investigación centra su atención en el comportamiento general de un materia l ante un ambiente particular como es el de la ciudad de Bogotá, el cual se clasifica como un ambiente urbano industrial moderado según la norma ASTM G50‐76. De esta misma manera se estudiara el comportamiento en una atmosfera salina, la cual será simulada en el laboratorio por medio de una cámara de atmosfera controlada.El material es un acero A588 categorizado como un acero auto protector, estos aceros se caracterizan por su particular comportamiento ante los ambientes atmosféricos moderados y extremos tanto industria les como marinos. Esto se debe a su capacidad para oxidarse y generar una capa de herrumbre (patina) que al estabilizarse protege el material del proceso corrosivo más profundo. De esta manera no se tiene la necesidad de usar recubrimientos u otros tipos de protección ampliando de esta manera sus aplicaciones en la ingeniería.

En la actualidad debido al gran impulso de las obras civ iles y a la necesidad de disminuir costos en recubrimientos y pinturas, estos aceros son cada vez más útiles y necesarios. De este concepto surge la necesidad de estudiar este fenómeno con el fin de impulsar a la industria nacional emergente en el uso y fabricación de estos materia les, particularmente se centra en el acero A588.

Para el estudio del acero A588 se desarrollo un plan de trabajo que consta de tres etapas principales. La primera etapa consistió en la implementación de la estación de corrosión

atmosférica la cual fue ubicada en un ambiente urbano, en este caso en la ciudad de Bogotá. La construcción de la estación así como la fabricación de las probetas de ensayo se realizo bajo las normas ASTM G50‐76 y ASTM G4‐01, que indican el procedimiento para estudios de corrosión atmosférica. Esta parte de la investigación fue lenta ya que la obtención de resultados se logra a partir de mediciones periódicas del estado y avance de la corrosión. De manera paralela se trabajo en la segunda etapa del proyecto que consiste en la caracterización del material. Entre los ensayos realizados se tienen pruebas mecánicas (ensayo de tensión ASTM E8, Ensayo de dureza Rockwell ASTM E18, preparación y análisis de muestras metalografícas ASTM E3 y análisis químico ASTM).

La tercera etapa, fue desarrollada en condiciones de laboratorio a través del uso de la cámara

de atmosfera controlada o cámara salina, con la cual es posible simular las condiciones presentes en el litora l. Se realizaron ensayos para diferentes tiempos de exposición en los

cuales se evaluaron diferentes condiciones como las pérdidas de masa, la calidad y cantidad de

herrumbre formada y el estado final de la probetas utilizadas, todo esto con el fin de estudiar

el comportamiento del material ante las condiciones propuestas.

1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL.

• Determinar y estudiar el comportamiento ante la corrosión del acero auto protector A 588 nacional en condiciones atmosféricas urbanas industriales promedio, por medio de la implementación de una estación de corrosión. Adicional a esto, el estudio abarca el comportamiento del acero A 588 en condiciones atmosféricas de litoral por medio de la experimentación en cámara salina.

1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS.

• Caracterización del acero A588 de fabricación nacional.

• Diseño, fabricación e implementación de la estación de corrosión, para ambientes industria les moderados.

• Determinación de un modelo que permita la predicción del comportamiento de la capa protectora (Patina) para el acero auto protector A588.

• Desarrollo de pruebas experimentales en cámara de atmosfera artif icia l, simulando condiciones climáticas de litoral.

• Determinar en qué condiciones ambientales, se presenta la mejor condición de operación para el acero A588.

2. MARCO TEORICO

2.1 CORROSION.

La corrosión se puede definir como el deterioro de un materia l debido a su interacción con el ambiente que lo rodea. Este tipo de degradación en los materiales está presente en todo momento y lugar sin importar las condiciones ambientales, ya que dependiendo de estas condiciones se tienen diferentes tipos y mecanismos de corrosión. La palabra corrosión viene del latín corrodere‐ daño gradual, y se define como la destrucción de un materia l debido a su interacción química o electro química con el ambiente que lo rodea. La corrosión es la tendencia que tienen los metales de volver a su estado combinado, es decir el estado inicial en el cual se encontraban en la naturaleza, que termodinámicamente hablando es el estado más estable. Cualquier cuerpo solido de cualquier tipo de material puede atravesar por procesos corrosivos, por este motivo es posible hablar de corrosión en materiales cerámicos, vidrios, concreto y muchos otros materia les, sin embargo los metales son los más sensibles a este fenómeno, debido a la formación de óxidos, sulfuros o compuestos metálicos básicos llamados menas o minerales.

La corrosión en metales es ta l vez una de las más evidentes ya que su acción es vis ible debido a los mecanismos de propagación y destrucción que provoca sobre el material, afortunadamente la tasa a la cual estos procesos avanzan es bastante lenta, lo suficiente para que los metales sean considerados una de las más importantes familias de materia les. Cuando los metales actúan bajo circunstancias normales en ambientes moderados, quedan expuestos a los efectos corrosivos de una u otra manera, sin embargo metales como el bronce, zinc, los aceros inoxidables, el aluminio y el latón se corroen muy lentamente bajo estas condiciones por lo que su operación normal no se ve afectada durante largos periodos de tiempo. Por el contrario metales como el acero y el hierro son más sensibles a los efectos de la corrosión ya que bajo condiciones normales ambos metales se corroen en presencia de agua y oxigeno, elementos presentes en todo momento en el ambiente. Si estos elementos no están presentes la corrosión no puede ocurrir, ambos son los controladores del proceso corrosivo, su presencia afecta la velocidad y severidad, así como otras condiciones asociadas al fenómeno.

2.2 IMPORTANCIA ECONOMICA DEL LA CORROSION.

La economía es una de las principales razones por las cuales es necesario tener presente la corrosión. Los metales juegan un papel v ital en la civilización moderna, debido a la infinidad de aplicaciones existentes, su uso sobrepasa al de muchos otros materiales, en consecuencia el costo de la corrosión a nivel mundial es muy alto. Para tener una idea, aproximadamente el 25 % de la producción anual de acero en el mundo es destruido por la corrosión, generando así un fenómeno económico asociado a perdidas de producción, daños ambientales y pérdidas humanas.

Los costos asociados a la corrosión se manifiestan de diversas maneras, entre las que se tienen: Paradas de planta debido a la necesidad de cambio de partes deterioradas por el efecto de la corrosión, pérdida de productos; debido a su contaminación por mezclas de materiales o por pérdida directa de producto causada por agujeros en tanques y tuberías, la

pérdida de eficiencia; generada por acumulación de óxidos que no permiten el correcto funcionamiento de diversos equipos como bombas, intercambiadores de calor, maquinas hidráulicas entre otras, Sobre dimensionamiento de componentes o equipos; aumentando así los costos de producción especialmente consumo de energ ía. Esto es tan solo una aproximación, ya que los costos asociados al fenómeno de la corrosión son muy difíciles de cuantificar debido a que está presente en todo momento.

En un estudio reciente, efectuado en los Estados Unidos, se concluyo que el costo total asociado al fenómeno de la corrosión es de $276 billones de dólares, lo cual supone el 3.1 % del Producto Nacional Bruto (PNB), esto después de estimar el porcentaje del PNB en los sectores donde los costos asociados a la corrosión son determinantes y extrapolando estos valores a toda la economía del país. Es una estimación conservadora debido a la naturaleza de la información, ya que el estudio se baso en los sectores que poseían información bien documentada. La figura 1 muestra los costos asociados por sector industrial, resultado del estudio antes mencionado [2].

Estudios en otros países como Ing laterra y Eg ipto, mostraron que el costo de la corrosión representa entre un 2% y 4% del PNB. Se señala además que entre un 20% y 25% de los costos tota les de la corrosión pudieron ev itarse, mediante una correcta aplicación de las diferentes técnicas de protección, así como con una mayor toma de conciencia de los riesgos asociados al fenómeno.

Figura1. Costos en dólares asociados a la corrosión según el sector industrial

1.

Los problemas derivados de la corrosión y por lo cual es de vital importancia su estudio, pueden dividirse en tres ítems; 1) Económica. Donde se encuentran las pérdidas directas e indirectas. 2) Conservación de recursos. Agotamiento de las reservas y de recursos naturales. 3) Seguridad humana. Accidentes fatales en diferentes sectores debido al efecto de la corrosión en medios de transporte, tuberías, plantas etc.

1 Roberge Pierre R. Corrosion Engineering, principles and practice. Mc Graw Hill 1st edition. 17 p.

La realización de una práctica responsable de la ingeniería es el primer paso para reducir los costos asociados a la corrosión, esto se consigue a partir de prácticas seguras, tales como inspecciones periódicas y jornadas de mantenimiento.

2.3 MECANISMOS BASICOS.

La mayoría de los metales que se encuentran en la naturaleza son inestables, para producirlos y obtenerlos de la manera que los conocemos se realiza una reducción de óxidos de manera artificial, lo que lleva a que estos intenten volver a su estado natural o al menos a compuestos similares cuando son expuestos a la atmosfera. La mayoría de los procesos de corrosión son de carácter electroquímico, basados en dos o más reacciones. La primera es una reacción parcia l anódica, donde se presenta la oxidación de un metal, la segunda es una reacción parcia l catódica en donde se presenta la reducción del agente oxidante. Estas reacciones ocurren en celdas que de una manera estricta deben tener los siguientes componentes ya que de lo contrario no ocurriría el fenómeno de corrosión.

1. Un ánodo metálico.

2. Un cátodo metálico.

3. Conductor metálico entre el ánodo y el cátodo.

4. Un electrolito (agua con sales conductoras), el cual debe estar en contacto tanto con el ánodo como con el cátodo.

La figura 2 muestra un esquema de una celda de corrosión simulada, donde se pueden observar los cuatro componentes necesarios para que se presente la corrosión del metal. Así mismo la figura 3 presenta un esquema de la corrosión de un metal a partir de la formación de una celda de corrosión.

Figura 2. Celda de Corrosión, Flujo de electrones del Ánodo hacia el Cátodo2.

2 Proceso Electroquímico [Consultado: 15 de septiembre 2009]. Disponible en; < http://www.lamigal.com/metal‐acero‐corrosion/metal‐corrosion‐galvanizado.html.>

Figura 3.Esquema de la corrosión de un metal. Formación de iones en el área anódica, desprendimiento de hidrogeno en el área catódica3.

Para que se forme una celda electroquímica, o celda de corrosión se requiere la presencia de un materia l que ceda electrones cuando está en contacto con otro que los acepta, todo esto a través de un medio conductor de iones que hace las veces de puente entre ambos materia les. El ánodo es el material que pierde electrones, siendo así el material que experimenta la reacción de oxidación y por lo tanto donde tiene lugar la corrosión, mientras que el material que acepta los electrones se reduce y es conocido como cátodo. El medio en el cual se encuentran ambos materia les, que permite el paso de iones es conocido como el electrolito. La oxidación se define como la perdida de electrones, esta tendencia está presente en todos los metales y puede ser cuantificada a través del potencia l de oxidación del metal, entre más alto sea el potencia l, el metal es más noble es decir que se oxida con mayor dificultad. Una diferencia de potencial entre el ánodo y cátodo es la responsable del f lujo de electrones y por lo tanto del funcionamiento de la celda.

Además de la electroquímica de la corrosión, se debe prestar atención a las condiciones exteriores generales que son al f in y al cabo las responsables de generar el escenario adecuado para la formación de la celda y por lo tanto responsables de que el proceso electroquímico se lleve a cabo.

Cuando se habla de corrosión atmosférica, los mecanismos promotores de la aparición del fenómeno de corrosión se identifican y clasifican en cuatro grupos los cuales interactúan entre sí generando las condiciones óptimas para la aparición y desarrollo del fenómeno corrosivo. El primer grupo; corrosión atmosférica debida a la humedad (capas de absorción). El segundo grupo; corrosión atmosférica debida a la humedad (capas de fase), este grupo tiene tres subgrupos, las capas causadas por el roció, por la lluv ia y por la niebla. El tercer grupo; Deposición de contaminantes. Y por último el cuarto grupo; Productos de la corrosión.

3 ROBERGE Pierre R. Corrosion Engineering, principles and practice. Mc Graw Hill 1st edition, 45 p.

2.3.1 Corrosión atmosférica debida a la humedad (capas de absorción). Las capas acuosas formadas por el agua absorbida en la superficie del metal, dependen de la humedad relativa de la atmosfera y de las propiedades químicas y físicas de los productos de la corrosión. El agua es absorbida de la atmosfera si existe presencia de sales higroscópicas que han sido depositadas o formadas por los productos de la corrosión. La absorción se presenta cuando la humedad relativa presente en el ambiente excede la humedad relativa crítica del material, la cual depende del metal en específico y de los contaminantes presentes. La tasa de corrosión aumenta de manera drástica cuando la humedad relativa excede el valor al cual las sales absorben y disuelven el agua. La tasa de corrosión esta directamente influenciada por la cantidad de agua presente en la superficie a corroer. El ataque corrosivo se encuentra generalmente en áreas en las cuales la absorción de agua se ve favorecida, dando paso a la disolución de moléculas gaseosas presentes en la atmosfera como el dióxido de sulfuro ( ), y el dióxido de nitrógeno ( ).

2.3.2 Corrosión atmosférica debida a la humedad (capas de fase).

Es el resultado de ciclos húmedos y secos en la superficie del material, que se presentan debido a la aparición de fenómenos naturales como el roció, la lluvia, la niebla o la nieve. Generando las condiciones para la disolución de contaminantes.

• Roció.

Figura 4. Gotas de roció sobre una superficie metálica

4.

El roció, como se observa en la figura 4, es una fuente muy importante de corrosión atmosférica, particularmente cuando el elemento está protegido. El roció se forma cuando el metal baja su temperatura por debajo de la temperatura de roció del ambiente, generalmente en las horas de la noche o en las horas de la madrugada cuando la temperatura del ambiente

4 Roció. [Consultado: 22 de septiembre 2009]. Disponible en; < http://rainimages.com/2007/11/11/rain‐drops‐on‐metal/>

empieza a aumentar a una tasa mayor que la temperatura del metal. La alta influencia del roció en la corrosión está dada por varios factores.

1. La concentración de contaminantes en el roció es mayor a la presente en el agua lluvia, lo que nos lleva a menores valores de pH. Las zonas industria les pueden llegar a tener valores de pH presentes en el roció menores a 3.

2. El roció permanece por más tiempo sobre la superficie del materia l lo que genera mayor efecto de la humedad y aumenta el tiempo de acción de los contaminantes.

3. Los contaminantes permanecen más tiempo dentro del electrolito continuando el efecto corrosivo, cuando el roció se seca los contaminantes permanecen en la superficie generando un ciclo de acción en cuanto aparezca de nuevo el roció.

• Lluvia.

Figura 5. Esquema del efecto de la lluvia sobre una superficie metálica.

Dependiendo de las condiciones, la lluvia puede generar un aumento o una reducción en los efectos de la corrosión. La formación de capas electrolíticas sobre la superficie del metal genera actividad corrosiva, la cual aumenta bajo la presencia de elementos como

y presentes en la lluvia acida. De la misma manera la lluvia puede disminuir la activ idad corrosiva cuando elimina los contaminantes presentes en la capa superficial del material, así se está aliviando la actividad corrosiva sobre el mismo. En la figura 5 se observa un esquema del efecto de la lluv ia sobre una superficie metálica.

Otro factor determinante en la acción de la lluvia en cuanto al aumento o disminución de los procesos corrosivos, radica en los periodos de deposición de los contaminantes en ambiente seco y en ambiente húmedo. Si el periodo de deposición de contaminantes en seco es mayor al tiempo de deposición en periodo húmedo entonces se dará un efecto de lavado ejercido por la lluvia y por lo tanto la tasa de corrosión disminuirá.

• Niebla.

Figura 6. Cap a de niebla sobre la estructura metálica del Golden Gate en San Francisco5.

La niebla, será determinante en áreas en las cuales la polución del aire presenta altos niveles de acidez y altas concentraciones de sulfatos y nitratos. El pH del agua presente en la niebla encontrada en zonas con una gran presencia de contaminantes como el sulfuro de hidrogeno ( ) y el dióxido de sulfuro ( ) está en el rango de 2.2 a 4.0. Afectando de manera directa los procesos corrosivos. En la figura 6 se observa la estructura metálica del puente Golden Gate en San Francisco cubierto por una espesa niebla.

2.3.3 Deposición de Contaminantes. Los contaminantes atmosféricos se depositan en una capa acuosa ya sea por medios húmedos o secos. Para la deposición húmeda es necesaria la presencia de medios húmedos (roció, lluvia, niebla y nieve). Por otro lado la deposición de contaminantes en condición seca se encuentra presente en ambientes cubiertos o protegidos o en ambientes muy contaminados. La deposición seca está controlada por dos factores; procesos aerodinámicos y procesos de superficie. Los procesos aerodinámicos están reg idos por las condiciones atmosféricas y por la presencia de contaminantes en ella. Los procesos de superficie están determinados por el tamaño de la muestra y por el tamaño y grosor de la capa acuosa electrolítica formada, el pH de la solución y la alcalinidad de la superficie. La velocidad de deposición en seco se define como el cociente de la tasa de deposición, o el flujo en la superficie, de cualquier compuesto gaseoso y la concentración del mismo compuesto en la atmosfera. Se expresa como la suma inversa de dos resistencias, llamadas resistencia aerodinámica y resistencia de superficie. 5 Planetware. Golden Gate Bridge. [Consultado: 22 de septiembre 2009]. Disponible en; < http://www.planetware.com/i/photo/golden ‐gate‐bridge‐san‐francisco‐ca082.jpg>.

1 . 1

Donde:

= Velocidad seca de deposición [cm/s]. = Resistencia aerodinámica. = Resistencia de superficie.

2.3.4 Productos de la corrosión.

La tasa de corrosión es altamente influenciada por la formación de productos resultantes del proceso corrosivo, estos productos tienen la habilidad de proteger al material y son formados a partir del nivel de interacción que tienen los iones disueltos del metal con los aniones presentes en la capa acuosa (electrolito). La capa de productos corrosivos es generada en la superficie del metal a partir de una secuencia de pasos; disolución, coordinación y re precipitación. Si la disolución es acido dependiente debido a la alta presencia de ácidos fuertes entonces la coordinación se ve condicionada ya que las bases fuertes coordinan mejor con ácidos fuertes, de la misma manera si la disolución no es acido dependiente la coordinación se llevara a cabo entre ácidos y bases débiles. Son considerados ácidos y bases fuertes aquellos que poseen electrones de valencia difíciles de distorsionar mientras que los que tienen electrones de valencia fáciles de polarizar o remover son considerados ácidos y bases débiles. Por último en la re precipitación los productos resultantes del paso anterior son depositados sobre la superficie del metal, determinando así la severidad del ataque corrosivo. Precipitaciones basadas en ácidos fuertes causaran un mayor daño al material. La tabla 1 es una clasificación de los diferentes tipos de ácidos y bases. La figura 7 es una ilustración esquemática de los procesos antes descritos.

Fuertes Intermedios Suaves Ácidos H+, Na

+, Mn2+,Cr

3+, F e3+,Ti

4+ Fe2+, Ni2+, Cu2+,Zn2+, Pb2+ Cu+, Ag+

Bases H2O, OH‐, O2‐,SO42 ‐,NO3

‐, CU32 ‐ SO3

2 ‐, NO2‐ R2S, RSH, RS

Tabla 1. Clasificación de Ácidos y bases, fuertes y suaves.

Figura 7. Ilustración esquemática de los procesos que ocurren en la capa acuosa6.

2.4 FORMAS DE CORROSION. La corrosión tiene varias formas de hacer presencia sobre los materia les, debido a que es un fenómeno que depende de la interacción con el ambiente circundante y de las características del material. De manera general se pueden distinguir dos tipos básicos, la corrosión generalizada o uniforme y la corrosión localizada. En la corrosión uniforme se ven efectos más o menos iguales sobre toda la pieza, por el contrario la corrosión localizada como su nombre lo indica se presenta en sitios específicos. Adicionalmente esta clasificación general, tiene varios subtipos, dentro de los más comunes están:

6 Schweitzer, Philip A. Atmospheric degradation and corrosion control. Marcel DekKer, Inc, 22 p.

2.4.1 Corrosión Uniforme.

Es una reacción de corrosión que ocurre de manera homogénea en toda la superficie del materia l, lo cual lleva a una perdida general de material. Es el tipo de corrosión más común entre los metales y sus aleaciones, presenta la mayor cantidad de pérdidas de peso y es apreciable a la v ista debido a la capa de oxido que es formada sobre la superficie. Los efectos derivados de este tipo de corrosión son predecibles y por lo tanto menos problemáticos que los presentes en otros tipos de corrosión a menos que la superficie corroída este oculta o apartada de la vista. Un ejemplo se puede observar en la f igura 8, aquí la corrosión uniforme se presenta en el interior de una tubería, la corrosión interna solo puede ser monitoreada bajo técnicas avanzadas de inspección, otro caso es la corrosión oculta en componentes y estructuras sumerg idas.

Figura 8. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión uniforme. b‐) Ataque por corrosión uniforme en una tubería

7.

2.4.2 Corrosión Galvánica. Corrosión inducida o generada cuando dos metales diferentes se encuentran en contacto en presencia de un electrolito, formando de esta manera una celda de corrosión. El metal con potencial eléctrico más negativo actúa como ánodo y cede electrones al metal con potencial menos negativo a través del electrolito o sustancia de contacto, de esta manera el ánodo tiende a corroerse a una tasa acelerada. A mayor diferencia de potencial la corrosión del materia l anódico será por ende mayor, por lo tanto este tipo de corrosión puede ser acelerado a partir de una configuración en la cual la zona catódica sea mucho mayor que la zona anódica promov iendo así la degradación del materia l a una mayor tasa. El ataque galvánico se puede presentar de manera uniforme o localizada, siendo particularmente severa cuando las películas protectoras no se forman de manera correcta o son eliminadas por efectos como la erosión o el desgaste. En la f igura 9 se observa el efecto de la corrosión galvánica en la unión de una tubería.

7 b‐) Go‐Tech [Consultado: 22 de septiembre 2009]. Disponible en; <http://octane.nmt.edu/waterquality/corrosion/image/uniform%20corrosion.GIF >.

a) b)

Figura 9. a‐) Se observa cómo actúa la corrosión galvánica. b‐) Se observa el ataque sobre la unión de una tubería debido a la corrosión galvánic a

8.

2.4.3 Corrosión por Picadura (Pitting Corrosion) Este tipo de corrosión es altamente localizado, de manera frecuente se observa en superficies que no presentan altos indicios de corrosión general. Por lo general ocurre en metales que están en contacto con líquidos que presentan bajas tasas de movimiento. Se observa en la figura 10, el daño causado en el interior de una tubería por este tipo de corrosión. Este proceso es de naturaleza auto catalítico, es decir que una vez la picadura empieza a crecer, las condiciones que se desarrollan promueven el crecimiento de la misma. Este tipo de corrosión es formado a partir de un proceso de disolución local anódica, donde el aumento de pérdida de material se debe a la relación entre una zona catódica mucha más grande que la zona anódica. Los siguientes son varios factores externos que contribuyen con la iniciación y propagación de las picaduras:

• Daño localizado ya sea mecánico o químico en una capa de oxido protectora. (especialmente en aceros inoxidables.)

• Factores químicos del agua que causan el colapso de la capa pasivadora, Tales como la acides, concentraciones bajas de oxigeno, altas concentraciones de cloruros.

• Mala utilización de los recubrimientos.

• La presencia de zonas no uniformes en la estructura metálica, tales como inclusiones y poros.

8 b‐) [Consultado: 22 de septiembre 2009]. Disponible en; <http://blackfirecorrosion.com/Carbon%20Steel/WGalvanic.jpg>

a) b)

Las regiones de picadura presentan niveles de pH muy bajos lo que genera la formación de ácidos especialmente acido clorhídrico (HCl), el cual es muy agresivo para los metales. De esta forma la corrosión por picadura es mucho más peligrosa que la corrosión uniforme, debido a que es más difícil de detectar, predecir y diseñar para su control. Puede llegar a generar fallas repentinas y catastróficas.

Figura 10. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por picadura. a‐) Se observa la corrosión generada en zonas específicas debida al ataque corrosivo por picadura9.

2.4.4 Corrosión por F isuras.

Es otra forma de ataque localizado, caracterizado por ser muy intenso en fisuras y grietas que se encuentran expuestas a los agentes corrosivos. Este proceso está asociado al estancamiento de pequeños volúmenes de solución en zonas críticas donde no se puede prever la entrada de líquido tales como perforaciones, empaquetaduras, juntas, defectos superficiales, grietas bajo pernos u otros elementos. Por lo general evoluciona a una corrosión por picadura, ya que en ambos casos el agente agresivo causante del daño se encuentra localizado (Figura 11). Se puede prevenir de varias formas, principalmente durante el proceso de diseño para eliminar las juntas y uniones donde puedan generarse fisuras. Así como cerrando las fisuras con materia les no absorbentes o con barreras que eviten la acumulación de humedad. Por último realizando limpiezas y mantenimiento frecuente que permita la remoción de elementos sólidos ubicados en la superficie del metal.

9 b‐) [Consultado: 22 de septiembre 2009], Disponible en.< http://octane.nmt.edu/waterquality/corrosion/image/I‐12.gif>

a) b)

Figura 11. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por fisuras. a‐) Se observa el ataque de una superficie metálica debido a la corrosión por fisuras

10.

2.4.5 Corrosión Intergranular.

La corrosión I ntergranular es otra forma de corrosión localizada. En este proceso la corrosión se presenta a lo largo de los límites de grano de metales y aleaciones. De manera frecuente se inicia en la superficie y procede debido a la acción de una celda local hacia los límites del grano, pues estas zonas son de alta energ ía debido a la gran proporción de dislocaciones en la estructura del metal. Se presenta de manera frecuente en los aceros inoxidables y en las aleaciones de níquel. Este tipo de corrosión afecta severamente las propiedades mecánicas de los materia les. La figura 12 presenta el esquema de acción de este tipo de corrosión, así como el ataque directo a las fronteras de grano.

Figura 12. a‐) Se observa cómo actúa la corrosión Intergranular . b‐) Se observa el ataque corrosivo en las fronteras de grano11.

10 b‐) [Consultado: 23 de septiembre 2009], Disponible en; http://octane.nmt.edu/waterquality/corrosion/image/crevice%20on%20tubing.JPG 11 b‐) [Consultado: 24 de septiembre 2009], Disponible en; http ://www.corrosion‐club.com/images/igc.jpg

a) b)

a) b)

2.4.6 Corrosión por pérdida selectiva. (Dealloying). Es otro tipo de corrosión localizada, en este caso se presenta a partir de una perdida selectiva de uno de los elementos que hacen parte de una aleación ya sea por ataque preferencia l o por disolución de la matriz del material aleado (figura 13). Este tipo de ataque suele ser nocivo debido a que se forma una capa que recubre las picaduras lo que genera un efecto v isual en el cual el material no parece corroído, presentándose posteriormente una falla mecánica repentina.

Figura 13. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por pérdida selectiva de material . b‐) Se observa este tipo de ataque en la parte interna de una tubería

12.

2.4.7 Corrosión por Erosión. Es causada por el mov imiento relativo entre la superficie del metal y el medio que lo rodea. Se presenta de manera más severa en presencia de líquidos, obv iamente su efecto se acentúa si el f luido tiene partículas solidas o burbujas gaseosas. Adicionalmente factores como la turbulencia, cav itación o efectos galvánicos también aumentan la severidad del ataque. Se caracteriza por la presencia de rasgaduras paralelas al mov imiento sobre la superficie. En la figura 14 se observan las pérdidas de material al interior de una tubería debidas al efecto de la corrosión por erosión.

Figura 14. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por erosión. b‐) Se observa el ataque de la corrosión por erosión en el interior de una tubería

13.

12 b‐) [Consultado: 24 de septiembre 2009], Disponible en; http://www.cdcorrosion.com/mode_corrosion/ corrosion_image/intergranulaire_zoom.jpg

a) b)

a) b)

2.4.8 Corrosión por Cavitación. La corrosión por cavitación es otra forma de corrosión localizada combinada con un daño mecánico que ocurre en fluidos turbulentos o de movimiento rápido. Se define como el deterioro de una superficie debido a la formación y colapso repentino de burbujas formadas en un líquido. Esta acción causa pequeños desprendimientos de metal, generando picaduras en forma de panal. La cav itación también aparece en áreas en las cuales existen altas vibraciones, como en los pistones de un motor y sus camisas (f igura 15).

Figura 15. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por cavitación. b‐) Se observa el daño sobre un pistón debido a este tipo de ataque.

2.4.9 Corrosión Bajo Tensión.

Se debe a la acción conjunta de dos causas; una a nivel químico que actúa a partir del ataque agresivo al material y una f ísica que actúa a partir de la tensión mecánica. La operación de componentes con presencia de tensiones residuales como las creadas por efecto de esfuerzos exteriores, esfuerzos de tracción, deformaciones en frio, soldaduras y mecanizados sumados a un ambiente corrosivo especialmente ambientes clorados, son el escenario perfecto para el desarrollo de este tipo de corrosión. La corrosión bajo efectos de tensión puede dividirse en varios subgrupos, como la corrosión por fatiga y agrietamiento debido a una corrosión por esfuerzos. La manera en que las grietas avanzan es de tipo arbóreo, donde la cantidad de ramificaciones presentes guarda una relación directa con la agresiv idad del medio y el nivel de esfuerzos presentes en el metal. El agrietamiento es usualmente I ntergranular (intercristalino) o transgranular (transcrista lino). Las grietas I ntergranulares se desarrollan a lo largo de los límites de grano, mientras que las grietas transgranulares atraviesan el grano sin importar sus límites. En la f igura 16 se observa el ataque sobre una muestra de latón sometida a esfuerzos de tensión.

13 b‐ ) [Consultado: 24 de septiembre 2009], Disponi ble en; http://www.aqua‐service.com.ar/corrosionenfriamiento.jpg

a) b)

Figura 16. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión bajo tensión. b‐) Se observa el ataque corrosivo de una muestra de latón sometida a esfuerzos de tensión

14.

2.4.10 Corrosión por Fatiga. Se produce por la combinación de esfuerzos generados por cargas cíclicas y a la vez por el ataque de un agente corrosivo. Esta combinación es un factor acelerador para la falla por fatiga, en este caso el metal no fa llara debido al ataque por corrosión, si no que el número de ciclos necesarios para generar la falla en el componente se ve drásticamente reducida. Este tipo de corrosión se ve frecuentemente en la industria petrolera donde los taladros y tuberías están sujetos a un ambiente altamente corrosivo así como a elevados ciclos de carga (f igura 17).

Figura 17. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por fatiga. b‐) Se observa el ataque debido a la corrosión por fatiga en una pieza metálica

15.

2.4.11 Corrosión por Fr icción.

Se refiere al daño generado por el contacto entre dos superficies, específicamente por el movimiento relativo de las mismas. Este movimiento en presencia de cargas repetitivas genera picaduras o grietas sobre las superficies de los metales. Se presenta de manera frecuente en maquinaria, ensamblajes que requieren pernos y en

14 b‐) [Consultado: 24 de septiembre 2009], Disponible en; <http://www.materia.coppe.ufrj.br/mirror/sarra/artigos/artigo10199/10199_arquivos/image008.jpg> 15 b‐) [Consultado: 24 de septiembre 2009], Disponible en; http://octane.nmt.edu/waterquality/corrosion/image/I‐50.gif.

a) b)

a) b)

rodamientos, como se observa en la f igura 18. Dos condiciones son necesarias para la presencia de corrosión por fricción; la primera es que la interface de contacto debe estar bajo carga, la segunda es la presencia de un movimiento oscilatorio o v ibratorio de pequeña amplitud, el cual desgasta las superficies dando como resultado la pérdida de material en zonas especificas.

Figura 18. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión por fricción. b‐) Se observa el efecto de la corrosión por fricción en la cara externa de un rodamiento rígido de bolas

16.

2.4.12 Corrosión debida al ataque por hidrogeno.

Este tipo de ataque se presenta en metales, especialmente aceros de baja aleación. Ocurre cuando átomos de hidrogeno en forma iónica se difunden hacia los defectos internos del metal como inclusiones, poros o defectos del trabajo en frio, una vez allí el hidrogeno se recombina como la molécula de hidrogeno (H2) o reacciona con el carbono presente en el acero formando metano . Al ocurrir esta difusión se presentan presiones internas muy altas generando perdidas en la ductilidad del metal llevando a rompimientos, f isuras e inclusive ampollas sobre la superficie. En la figura 19 se observa el efecto del ataque en una tubería. Por otro lado la eliminación del carbono (descarburización) provoca que la resistencia del acero se vea seriamente disminuida.

Figura 19. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión debida al ataque por hidrogeno. b ‐) Se observa el ataque en la tubería de una caldera, la flecha indica la dirección del flujo

17.

16 b‐) [Consultado: 24 de septiembre 2009], Disponible en; < http://www.vibanalysis.co.uk/technical/corrosion/fretting.jpg>

a) b)

a) b)

2.4.13 Corrosión microbiológica. Aquí los responsables de la fa lla por corrosión son organismos del tipo biológ ico, los cuales actúan como aceleradores de los procesos corrosivos localizados. Por lo general se presentan en medio acuosos en donde la acción de los organismos acelera el transporte de oxigeno hacia la superficie del metal. En general los ambientes rurales, marinos e industriales contienen enormes cantidades de poblaciones de microorganismos, ta les como bacterias, hongos, algas etc. De todos estos microorganismos solamente algunos se consideran agentes corrosivos biológicos, los cuales generan efectos de transformación en el azufre (S). A manera de ejemplo tenemos las bacterias Thiobacilli, aerobias, es decir que requieren de la presencia de aire para crecer. Obtienen su energía de la oxidación del azufre elemental, como el tiosulfato y en algunos casos de los politionatos, sulfuros y sulfitos. El producto fina l de su oxidación es el acido sulfúrico el cual es altamente dañino para os metales. Otro tipo de bacterias que necesitan el azufre son anaerobias, es decir que no requieren oxigeno para crecer. Pueden reducir compuestos de azufre oxigenados como los sulfatos. En la f igura 20 se observa el daño generado a una superficie metálica.

Figura 20. a‐) Esquema donde se observa cómo actúa la corrosión microbiológica. b‐) Se observa el deterioro del metal debido al ataque por corrosión microbiológica18.

En la mayoría de los casos cuando un proceso corrosivo empieza en un material se generan las condiciones adecuadas para que otras formas de corrosión se desarrollen. Por ejemplo la corrosión por erosión permite la generación de corrosión localizada debido al desprendimiento de material en zonas específicas, así también estará presente la corrosión I ntergranular e inclusive la corrosión por agrietamiento. La f igura 20 muestra dos gráficos en los cuales se relacionan los principales mecanismos de falla y el porcentaje representativo de fa llas en industrias químicas tanto en Alemania como en los Estados Unidos, en donde se tienen

17 b‐) [Consultado: 24 de septiembre 2009], Disponible en; < http://www.hghouston. com/images/photos/21.jpg> 18 b‐) [Consultado: 24 de septiembre 2009], Disponible en; <http://www.bushman. cc/photos/MIC_Corrosion_on_Heating_Oil_Tank.jpg.>

a) b)

condiciones ambientales, sistemas y variables operacionales diferentes. Con esto se ev idencia la importancia no solo del fenómeno general si no se sus principales formas de acción.

Figura 21. Estadística de fallas en una planta de procesos químicos. En Alemania ( a), en Estados Unidos (b)19.

2.5 CORROSION ATMOSFERICA.

La corrosión atmosférica es el tipo de corrosión más común ya que involucra a la atmosfera circundante dentro del proceso electroquímico, que ocurre debido a la presencia de metales base y a una superficie electrolítica, que desencadena la formación de todos los otros tipos de ataque. Muchos factores afectan de manera directa la corrosión atmosférica, entre ellos la humedad relativa, la temperatura, el contenido de dióxido de sulfuro (SO2), el contenido de sulfuro de hidrogeno (H2S), el contenido de cloruro, la cantidad de lluvias, el polvo e inclusive la posición geográfica. La humedad es indispensable para la generación de corrosión atmosférica, esto debido a que se comporta como el electrolito asociado al proceso, si no hay presencia de este factor, los metales se corroerían a una tasa despreciable. Así mismo la importancia del contenido de polvo y otras impurezas en el aire son determinantes ya que afectan la condensación de la humedad sobre el metal y por lo tanto afectan la corrosión resultante.

La corrosión atmosférica es afectada por condiciones locales, de esta manera se puede clasificar en tres grandes grupos. 1. industrial, 2. Marina y 3. Rural. Aunque es posible ser mas especifico en la clasificación de la zona en la que se está evaluando el fenómeno, estás tres categorías incluyen todos los posibles escenarios.

19 Roberge Pierre R. Corrosion Engineering, principles and practice. Mc Graw Hill 1st edition.

1. Industrial.

En una atmosfera industrial la contaminación está basada en la presencia de varios tipos de sulfuros, como el sulfuro de hidrogeno (H2S) y el dióxido de sulfuro (SO2) los cuales son producidos por la combustión de hidrocarburos que al interactuar con el ambiente circundante son convertidos en ácidos sulfurosos. Así mismo muchos otros tipos de compuestos son arrojados al ambiente, debido a una errónea manipulación de las materias primas y a procesos industria les altamente contaminantes. Adicionalmente a esto se tiene la presencia de contaminantes tales como cloruro de hidrogeno ( ), óxidos de nitrógeno ( ), cloro ( ), fluoruro de hidrogeno o acido fluorhídrico ( ) y bromuro de hidrogeno ( ), así como diferentes compuestos organofosforados producidos en la quema de desechos o desperdicios industria les y químicos.

2. Marina.

En ambientes marinos o de litoral, el ataque está sujeto a la deposición de pequeñas gotas de crista l, los cuales son formados por la evaporación del agua marina y posteriormente arrastrados por el viento desde el océano. La cantidad de deposición de cloruros es directamente proporcional a la distancia que se tiene de la costa. Así entre más cerca se está de la costa, mayor es el nivel de deposición y por lo tanto mayor será el nivel de corrosión. Adicional a este fenómeno también están presentes los contaminantes asociados a la atmosfera local, es decir una ciudad costera tendrá en su atmosfera una combinación de contaminantes industriales y de cloruros.

3. Rural.

Los ambientes rurales por lo general poseen atmosferas limpias libres de contaminantes, pero estos ambientes poseen partículas orgánicas e inorgánicas. Sin embargo las condiciones atmosféricas presentes en estas zonas pueden llegar a ser una combinación de las condiciones presentes en las ciudades o en las zonas costeras, esto dependiendo de la cercanía que tenga la zona rural a los grandes centros industria les o a la proximidad de las zonas costeras.

De manera general es difícil encontrar una delimitación clara entre los tipos de corrosión atmosférica, por lo que es necesario tener en cuenta las condiciones de temperatura, humedad, nivel de contaminantes así como cualquier factor externo que pueda serv ir como referente de las condiciones presentes en el ambiente local.

2.6 ENSAYOS DE CORROSION. Los metales son usados bajo incontables e impredecibles condiciones por lo que se espera de ellos cualquier tipo de comportamiento, por este motivo el desarrollo de estudios y pruebas sobre el comportamiento de los metales ante la corrosión es tan importante. Estas pruebas adquieren un papel determinante dentro del contexto de selección de materia les, pues permiten la selección del mejor material según las condiciones de operación y del ambiente de exposición, así como son determinantes en el desarrollo de nuevas aleaciones. Los programas desarrollados para los estudios de corrosión pueden ser muy complejos y tardar varios años o pueden llegar a ser muy simples y realizarse en horas o días de experimentación. Existen dos categorías para las pruebas de corrosión:

1. Pruebas realizadas en el laboratorio bajo condiciones controladas.

2. Pruebas realizadas en campo abierto bajo condiciones naturales o de servicio.

2.6.1 Pruebas de laborator io.

Las pruebas de laboratorio en su mayoría son desarrolladas a partir de ensayos cuya base son reactivos químicos (ácidos, bases) utilizados bajo condiciones controladas, o con cámaras de humedad y atmosferas controladas. Una de las ventajas de las pruebas de laboratorio es que permiten ser reproducidas bajo las mismas condiciones, de esta manera el investigador puede generar un estimativo de lo que ocurrirá con el materia l en condiciones de operación reales.

2.6.1.1 Pruebas de inmersión.

El método de ensayos más común es la inmersión en líquidos (Figura 22). Las diferencias entre los diferentes tipos de procedimiento radican principalmente en la naturaleza de las soluciones usadas, las tasas de agitación y la temperatura. Por otro lado se tienen varios métodos de inmersión, los más utilizados son:

o Inmersión total: Totalidad de la muestra está inmersa en la solución.

o Inmersión Alternativa: El elemento es inmerso durante un periodo de tiempo para ser removido, secado y reutilizado.

o Inmersión Parcial: La mitad del espécimen está inmerso en la solución, la otra mitad está expuesta al aire o vapor si la prueba es cerrada.

Figura 22. Tanque de inmersión de 24 in de diámetro, contiene 300L de una solución saturada de H2S20.


2.6.1.2 Pruebas de Humedad.

Con estas pruebas lo que se busca es aumentar la humedad relativa a diferentes temperaturas, se llevan a cabo en equipos que permiten ajustar tanto el nivel de la humedad relativa como la temperatura (figura 21). Son utilizadas principalmente para evaluar recubrimientos temporales y el comportamiento de materiales compuestos.

Figura 23. Cámara para pruebas de humedad HYGROTHERM 519 FA/SA de Erichsen21.

2.6.1.3 Pruebas de niebla disper sa.

Existen varias formas de llevar a cabo este tipo de ensayos, pero todas son operadas a partir del mismo principio general. Algunas pruebas exponen las muestras al roció continuo; otras operan la dispersión de manera intermitente. Adicionalmente la composición de la solución salina utilizada para generar la niebla y su temperatura son otros factores que pueden variar entre pruebas. Las soluciones más comunes para este tipo de pruebas son:

o Agua Pura.

o 3 ½, 5 y 20 porciento de solución de cloruro de Sodio ( ).

o Soluciones de Cloruro de sodio, acidificadas para alcanzar pH específicos.

La mayoría de ensayos se realizan con temperaturas entre los 35⁰C y 50⁰C . Con estas pruebas se busca obtener una evaluación rápida de recubrimientos (pinturas, películas anódicas y recubrimientos en general). Se deben tener en cuenta dos consideraciones para estas pruebas; La primera es que el dispersor nunca debe apuntar directamente a las muestras, por el contrario este debe estar ubicado de tal manera que la dispersión de la niebla está bien distribuida. El segundo indica que los especímenes deben estar ubicados con un ángulo 21 b‐) [Consultado: 24 de septiembre 2009], Disponible en; < http://img.directindustry.es/images_di/photo‐g/camara‐para‐prueba‐de‐humedad ‐358988.jpg>

especia l (15,30 y 45 grados de la vertical), para que la niebla producida ataque de manera correcta la cara de la probeta. La figura 22 muestra una cámara de atmosfera simulada en la cual se realizan en su mayoría las pruebas de niebla dispersa.

2.6.1.4 Pruebas en cámara de atmosfera simulada.

Las cámaras de atmosfera simulada duplican y aceleran los efectos de la polución atmosférica en varias situaciones, con lo cual es posible evaluar la degradación de los materiales dependiendo de las condiciones atmosféricas deseadas. Este tipo de ensayos involucra la adición de gases y vapores a la cámara presurizada, con el f in de producir efectos de condensación deseados por el experimentador.

Las cámaras utilizadas para estas pruebas como se observa en la f igura 22, deben estar equipadas con un sensor de humedad, para medir la condición de humedad relativa. Adicionalmente tienen una torre humidificadora que contiene agua ionizada, el agua es calentada a través de una resistencia para alcanzar la condición de humedad y temperatura adecuadas. Con el fin de generar la niebla se utiliza aire comprimido junto con la solución salina formando así la niebla adecuada. Cuando el aire caliente y la solución se mezclan en el aspersor, la mezcla es atomizada al interior de la cámara en forma de niebla. De esta manera se incrementa al 100% la humedad relativa al interior de la cámara, atacando así las muestras a una velocidad muy alta en comparación con otro tipo de pruebas. Este tipo de procedimiento está reg ido por la norma ASTM B 117 [test method of sa l spray (fog) testing].

Figura 24. Cámara de Atmosfera simulada, en ella se observa la ubicación de las probetas, la formación de la niebla y el tanque de solución Salina

22.

2.6.2 Campo Abierto. Este tipo de ensayos están diseñados para estudiar el fenómeno de la corrosión atmosférica presente en lugares específicos. Estas pruebas pueden ser diseñadas para diferentes periodos de tiempo, desde un par de meses hasta varios años, lo que permite llegar a tener una idea real de lo que puede ocurrirle a un material bajo ciertas condiciones de operación. La mayoría


de las pruebas de campo abierto exponen los materiales a las siguientes condiciones corrosivas:

1. Ambientes Naturales.

• Atmosferas. (costas marinas, industriales, rurales). • Aguas (destiladas, puras, saladas, en mov imiento y estancadas). • Suelos (Secos, Húmedos, Arcillosos y arenosos)

2. Aplicaciones industriales particulares.

• Arquitectónico. • Plantas Procesadoras. • Vehículos de transporte.

3. Substancias Particulares.

• Concreto. • Fertilizantes. • Combustibles derivados del petróleo. • Gases combustibles.

Este tipo de pruebas puede llevarse a cabo mediante varios tipos de montajes, esto dependiendo de diversos factores como la duración de la prueba, las condiciones de exposición, los materiales a utilizar y los objetivos de la prueba. La norma ASTM G50‐76 standard practice for conducting atmospher ic corrosion test on metals, describe los diferentes tipos de arreg los de probetas así como las condiciones del montaje, en la figura 25 se observa un montaje de pruebas con un gran número de probetas ubicado al lado de la costa. Este tipo de arreglos están entre los más utilizados en las pruebas de corrosión atmosférica.

Figura 25. Montaje para pruebas de corrosión atmosférica

23


Otra manera de subdiv idir los tipos de pruebas es según los objetivos que se quieren alcanzar. Estos objetivos determinan como preparar la prueba y bajo qué condiciones es necesario realizarla. La tabla 2 describe algunas pruebas en función de sus objetivos.

Tabla 2.Pruebas de corrosión atmosférica según los objetivos a seguir.

Al realizar ensayos de campo se está evaluando el comportamiento de un material particular ante las condiciones del medio, de esta manera lo que se está probando es el comportamiento ante la corrosión atmosférica en una zona determinada para un materia l en particular. Muchos años de experimentación han permitido establecer que factores como el tamaño de las muestras, la orientación, la elevación, la presencia de sombra y la cantidad de protección que puedan llegar a tener las muestras son factores influyentes en los resultados finales. Las técnicas más utilizadas para evaluar los resultados a la exposición en campo abierto miden los cambios dimensionales presentes en las probetas, los cambios de peso, los cambios en su aspecto exterior y los cambios a nivel microscópico.

1. Cambios Dimensionales.

Esta técnica de evaluación involucra la medición del cambio en el espesor de las muestras, a partir de técnicas de ultrasonido. La prueba debe ser documentada a partir de una medición inicia l del espesor de la muestra y a través de mediciones periódicas del cambio de espesor. La diferencia entre estas mediciones dividida por el intervalo de tiempo da como resultado la tasa de corrosión. Este método no es lo suficientemente preciso para las pruebas de laboratorio, pero en grandes periodos de exposición como los presentes en las pruebas de campo abierto proporciona información útil.

2. Cambios en Peso.

Es la técnica más utilizada para determinar la tasa de corrosión de un material. Aquí se busca exponer un material al medio ambiente durante un periodo prolongado de tiempo, para así determinar cuánto material se ha perdido al finalizar el ensayo. La tasa de corrosión se calcula a partir del tiempo de exposición, la pérdida de masa, el área expuesta durante la prueba y la densidad del materia l. La tasa de corrosión se calcula a partir de la siguiente ecuación.

22.273 . 2

Donde: mpa= Milésimas de pulgada por año. PM = Pérdida de Masa, [g ] ρ = Densidad del material, [g/cm3] A = Área, [in2] T = Tiempo, [Días] Las pérdidas de masa deben medirse con una precis ión de 0.0001 g. El área debe ser la suma de todas las caras expuestas de la muestra y su medición debe tener una precis ión del 0,1%.

3. Cambios a nivel microscópico.

Se usa para determinar la perdida de aleantes en las muestras y así determinar cuánto porcentaje de material sigue en buenas condiciones de operación y cuanto ha sido afectado por la acción de la corrosión. El daño ejercido por este tipo de fenómeno no es proporcional al daño exterior ni a la pérdida de peso de las muestras, por este motivo se debe hacer un corte seccional del metal corroído para realizar un estudio metalografico y determinar microscópicamente cuanto material esta aun presente en la muestra.

2.7 ACEROS AL CARBONO.

Los aceros al carbono son una aleación de hierro‐carbono, en donde el contenido de carbono no sobrepasa el 1%. Son clasificados en tres grupos; los de bajo, medio y alto contenido de carbono, debido a la concentración de este elemento presente en la aleación. Otra clasificación de los aceros se basa en la reacción eutectoide del diagrama Fe‐Fe3C, de esta manera se tiene aceros hipoeutectoides, eutectoides e hipereutectoides. Los aceros hipoeutectoides son aquellos que tiene un contenido de carbono inferior al 0.77%, los eutectoides son los que tienen un contenido de carbono del 0.77% y los hipereutectoides los que tienen un contenido de carbono mayor a 0,77%. Se observa en la figura 26, el diagrama Fe‐Fe3C para aceros.

Los aceros de bajo carbono contienen menos del 0,25% C, por lo cual son poco atractivos para tratarse térmicamente, ya que no responden satisfactoriamente a tratamientos como el temple, sin embargo el bajo contenido de carbono les da una muy buena ductilidad y tenacidad. La microestructura de estos aceros está conformada por ferrita y perlita (figura 27). Los aceros de medio carbono contienen entre 0.25 % y 0.6 % de carbono, debido a esto pueden tratarse térmicamente para aumentar sus propiedades mecánicas. Su microestructura está conformada por ferrita y perlita pero a diferencia de los aceros de bajo carbono, la cantidad de perlita presente es mucho mayor que la ferrita (figura 28). Por último los aceros de

alto carbono contienen entre 0, 6 % y 1,4 % de carbono (figura 29), son muy resistentes pero menos dúctiles24.

Figura 26. Diagrama Fe‐Fe3C

25

Figura 27. Acero de bajo carbono C 0.2 (wt%). Normalizado a 1000⁰C26.

24 Giraldo, Víctor H. Realización de un ensayo de res istencia al impacto tipo charpy para aceros de bajo medio carbono, con y sin tratamiento térmico. Proyecto de Grado; Depto. Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes. 25 CALLISTER, Willi am. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. Barcelona, España: Revert é, s.f.364 p. 26 COCHRANE, University of Cambridge. Doitpoms Micrograph Library. [base de datos en línea]. [consultado 25 nov.

2009]. Disponible en < http://www.doitpoms.ac.uk/miclib/full_record.php?id=212 >.

Figura 28. Acero de medio Carbono Fe, C 0.4 (wt%). Hipoeutectoide normalizado a 1100⁰C

27.

Figura 29. Acero Alto Carbono Fe, C 1.0 (wt%). Aleación Hipereutectoide

28.

2.8 ACEROS AUTO PROTECTORES.

Los aceros auto protectores, también llamados aceros corten o aceros patinables, son aceros microaleados cuyos componentes principales son el cobre (Cu), cromo (Cr), níquel (Ni), fosforo (P), silicio (Si) y manganeso (Mn), en concentraciones que se mantienen alrededor del 0,5% en peso. La presencia de estos aleantes principalmente el cobre, cromo y níquel permiten la formación de una capa protectora llamada patina. La patina es una formación de óxidos estables y perfectamente adheridos a la superficie metálica, su correcta formación depende de muchas condiciones, especialmente de las condiciones climáticas de exposición, niveles de polución, condiciones de operación y de la composición química del material.

Cada uno de los aleantes juega un papel importante que al combinarse dan a este tipo de aceros sus características especia les. De los tres aleantes principales el cobre es determinante

27 COCHRANE, University of Cambridge. Doitpoms Micrograph Library. [base de datos en línea]. [consultado 25 nov. 2009]. Disponible en < http://www.doitpoms.ac.uk/miclib/full_record.php?id=234>. 28 COCHRANE, University of Cambridge. Doitpoms Micrograph Library. [base de datos en línea]. [consultado 25 nov.

2009]. Disponible en < http://www.doitpoms.ac.uk/miclib/full_record.php?id=22 >

en la reducción de la tasa de corrosión, si el contenido de cobre aumenta de 0,01% a un 0, 4%, la tasa de corrosión disminuirá hasta un 70%. Este comportamiento se debe a que el cobre forma sulfatos de baja solubilidad, que precipitan en los poros presentes de la capa de oxido que está formando de tal manera que reducen la porosidad de la misma impidiendo un ataque directo al materia l. Por otro lado el cromo junto al níquel, aportan en el aumento de la resistencia a la corrosión, y mejoran las propiedades mecánicas del acero. El níquel al igual que el cobre contribuye en la formación de sulfatos insolubles que bloquean los poros y evitan el ataque directo. El cromo junto con el fosforo se encargan de formar una densa capa amorfa de peróxido de hierro (FeOOH), sobre la superficie del acero, creando así una barrera que evita el transporte de agua, oxigeno y contaminantes.

El proceso de oxidación tiende a ser mayor durante la noche cuando la humedad se condensa sobre las superficies metálicas. De esta manera la humedad absorbe los contaminantes gaseosos de la atmosfera local, los cuales son nucleados alrededor de una partícula de polvo generando así una precipitación acida sobre la superficie del metal. La delgada capa de humedad acida es capaz de solubilizar el acero e iniciar el proceso de oxidación, pero solo a partir de alternar ciclos húmedos y secos, característicos de la exposición normal durante el día y la noche, se genera la capa de oxido protector (patina). Por el contrario estos ciclos alternantes producen el deterioro imparable de los aceros al carbono debido a la formación de una capa porosa. La repetición constante de estos ciclos da como resultado un cubrimiento total de la superficie del acero y por lo tanto en la reducción de la tasa de corrosión. Este comportamiento puede ev idenciarse en las curvas tiempo/corrosión como se muestra en la figura 30.

Figura 30. Curva tiempo/corrosión. Se muestra el comportamiento relativo en un ambiente semi‐industrial para un acero auto protector y un acero al carbono

29.

29 Jones, Denny A. Principles and prevention of corrosion. ‐2

nd ed. Prentice Hall p.406

2.8.1 Mecanismo Electroquímico de la formación de la patina.

El acero al estar expuesto a las condiciones atmosféricas forma una capa de oxido compuesta por una capa interna de magnetita (Fe3O4), cubierta por una capa externa de peróxido de hierro (FeOOH). La mayor cantidad de magnetita se encuentra en su estado de oxidación ferrosa (FeO) y el resto en su estado de oxidación férrico (Fe2O3). La capa externa de (FeOOH) es penetrada permitiendo la oxidación completa de la magnetita, de esta manera los poros presentes en la magnetita son llenados con agua condensada por lo que se genera un tapón de productos insolubles de la corrosión, manteniendo la calidad protectora de la capa de oxido. El oxido de azufre presente en el aire reacciona con el agua disolv iendo oxigeno y formando acido sulfúrico en los poros de la capa de oxido, el acido disuelve de manera parcia l el oxido presente, produciendo sulfato ferroso (FeSO4) aumentando la acidez, de esta manera el oxido es arrastrado más fácilmente abriendo los poros de la magnetita, lo que permite que la solución electrolítica pase más fácilmente a la superficie metálica subyacente.

El mecanismo electroquímico empieza por la disolución anódica del hierro en la capa en el interior de la magnetita, a través de la siguiente reacción.

2

Los átomos de hierro presentes en los poros de la capa de magnetita reaccionan con el oxigeno en la capa externa de la magnetita, formando así magnetita adicional a través de la siguiente reacción.

3 212

La reacción catódica de reducción es la siguiente:

8 2 3

En esta reacción el hierro presente en el FeOOH (oxido) es reducido a hierro ferroso en Fe3O4

(magnetita), ubicándolo en la interface entre las capas. Este comportamiento se observa en la figura 31. El oxigeno de la atmosfera atraviesa las fisuras presentes en la capa de oxido exterior, reoxidiza la magnetita según la siguiente reacción.

3 0.75 4.5 9

Este proceso evidencia la tasa de penetración y pérdida lineal de la capa protectora debida a la presencia de SO2 en la atmosfera30.

30 Jones, Denny A. Principles and prevention of corrosion. ‐2nd ed. Prentice Hall p.405

Figura 31. Diagrama esquemático del mecanismo electroquímico de la formación de la patina en un ambiente contaminado por SO2

31.

31 Ibid, p.408

3. MATERIALES Y METODOS.

3.1 MATERIALES.

El acero A588 esta categorizado como un acero auto protector debido a su comportamiento ante la corrosión. Este acero presenta formación de patina en ambientes industriales moderados y degradación en ambientes marinos. Su composición química muestra la presencia de los aleantes característicos de este tipo de aceros y a su vez sus propiedades mecánicas superan a las de un acero al carbono tradicional. El acero sobre el cual se baso el ensayo de corrosión atmosférica, así como el utilizado en las pruebas de velocidad de corrosión es de fabricación nacional y fue proporcionado por las acerías de Caldas (ACASA). El acero utilizado en las pruebas de laboratorio de cámara salina fue donado por la empresa contratista Extralum gracias a la gestión del Ingeniero Álvaro Méndez.

El materia l inicial fue proporcionado en tres perfiles en L de aproximadamente un metro de longitud. A partir de este material base se construyeron 24 probetas para el ensayo de corrosión atmosférica según la norma ASTM G‐50. Las dimensiones de las probetas fueron reducidas en un 10% a lo ancho con respecto a las especificadas en la norma debido a restricciones dimensionales en el corte de los perfiles en L. De esta manera las dimensiones finales de las probetas usadas para el ensayo fueron 90 mm de ancho por 150 mm de largo y 0.9 mm de espesor.

Adicional a esto las probetas fueron limpiadas y preparadas para el ensayo según la norma ASTM G1, la cual indica los procedimientos para la preparación, limpieza y evaluación de las probetas usadas en ensayos de corrosión atmosférica. El procedimiento de limpieza y preparación de las probetas busca eliminar impurezas, rastros de pintura y óxidos existentes sobre la superficie del materia l, y consistió en una limpieza superficia l con jabón y cepillo de cerdas duras para eliminar los residuos de pintura, seguido de varias limpiezas con acetona para eliminar los óxidos superficiales del material. La limpieza efectuada no elimino la capa superficia l del acero generada en los procesos de laminación en la manufactura de los perfiles, ya que el materia l es puesto en serv icio de esta manera y es así que el estudio pretendía evaluar el avance de la corrosión y la formación de la patina. En la figura 31 se observa el estado de las probetas después de la limpieza.

Figura 32. Probetas de acero A588 después de realizar la l impieza superficial.

3.2 METODOS

Con el fin de cumplir con los objetivos planteados en este estudio se realizaron una serie de ensayos con el fin de caracterizar el materia l y estimar sus propiedades mecánicas. De la misma manera se realizaron varios ensayos para determinar el comportamiento del acero ante la corrosión atmosférica. Los ensayos realizados para la caracterización del materia l fueron; un análisis de composición química, un ensayo de dureza, un ensayo de tensión, un anális is metalografico y un análisis de microscopia electrónica de barrido (SEM).

Los ensayos realizados con el fin de determinar el comportamiento del acero ante la corrosión atmosférica se dividen en dos grupos; el primero reúne un ensayo experimental de campo abierto en el cual se instalo una estación de corrosión atmosférica en la ciudad de Bogotá para realizar un seguimiento a una serie de probetas durante un periodo de tiempo establecido. El segundo grupo reúne tres ensayos experimentales de laboratorio, el primero de ellos fue el ensayo de corrosión atmosférica por medio del uso de una cámara salina, utilizada con el fin de obtener un estimativo del comportamiento del acero A 588 ante condiciones atmosféricas de litora l, las cuales son más agresivas para este acero. El segundo ensayo realizado en el laboratorio fue un ensayo de velocidad de corrosión. El ensayo fue realizado en dos diferentes medios: cloruro de sodio (NaCl) y agua (H2O), estos ensayos fueron analizados por medio de la técnica electroquímica de extrapolación de Tafel, que permite obtener un estimativo de la velocidad de corrosión del acero ante las condiciones antes descritas. Por último se realizo un ensayo de análisis de herrumbres por medio de una prueba FTIR (Espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier), y así llegar a identificar los contaminantes presentes en los procesos de formación de la patina sobre el acero A588.

Una descripción más detallada de los ensayos, en la cual se describe el proceso como ta l, los equipos utilizados y las normas que se siguieron para realizar cada uno de ellos, es presentado a continuación.

3.2.1 Análisis de Composición Química.

El análisis de composición química se realizo con el fin de identificar la composición química del acero A588, este ensayo se realizo según norma ASTM A751. El ensayo se realizo con un espectrómetro de emisión óptica marca ARL Quantodesk (Fi gura 33). Se realizaron 5 quemas sobre la superficie de una probeta de una pulgada cuadrada, con el fin de tener suficientes datos para un análisis estadístico. Adicional a esto se realizo un ensayo en las instalaciones del laboratorio de espectrometría del Servicio nacional de aprendizaje (SENA), para comparar los valores obtenidos anteriormente.

Figura 33.Espectrómetro de emisión óptica, ARL Quantodesk.

3.2.2 Ensayo de Dureza. Este ensayo busca determinar la dureza del material estudiado. La escala de dureza utilizada fue Rockwell B (HRB), con una carga de 100 Kgf y un penetrador de bola con un diámetro de 1/16 de pulgada (1. 6 mm). Se realizaron 5 indentaciones sobre una muestra de una pulgada cuadrada de acero A588 en la dirección transversal. El equipo utilizado fue un durómetro Wilson Rockwell Instron Series 600 (Figura 34). El procedimiento realizado está de acuerdo con la norma ASTM E18. A partir de la relación entre el esfuerzo último de fluencia y la dureza brinel, propuesta por Shig ley 32, es posible comparar los valores de dureza con los valores del esfuerzo último a la tensión. Para realizar esta comparación es necesario utilizar la equivalencia entre la escala de dureza Rockwell B y la escala de dureza brinel, por medio de la norma ASTM E 140, en donde se especifican las tablas de equivalencia para diferentes tipo de dureza. De esta manera al obtener el valor equivalente del valor promedio obtenido en el ensayo en la escala brinel, es posible usar la relación mencionada. El valor del esfuerzo último a la tensión nos permite comparar con el propuesto por la norma ASTM/A588 y así determinar la calidad del materia l. La relación propuesta por Shigley se muestra a continuación.

0.45 3.10

. 3

32 Shigley. J.E, Mischke. C.R. Diseño en Ingenierí a Mecánica. Mexico D.F. Mexico, McGraw Hill. Pg 270.

Figura 34.Durómetro Wilson Rockwell Instron Series 600.

3.2.3 Análisis Metalografico. Este anális is metalografico busca caracterizar la micro estructura del acero A588. Este ensayo sigue la norma ASTM E3. La preparación de la probeta siguió las etapas de embebido utilizando un equipo Buehler Simplimet 2; luego se paso a un pulido grueso, usando un equipo Buehler Handimet 2, seguidamente se pasa a la etapa del pulido fino por medio de un equipo Buehler Ecomet 6, se ataco la muestra con una solución de alcohol y acido nítrico (nital) en base a la norma ASTM E3, y por último se paso al análisis por medio del microscopio óptico Leitz Metallux II. Los equipos utilizados durante el proceso se observan en la figura 35.

Figura 35. a‐) Buehler Simplimet 2, b‐)Buehler Handimet 2 c‐)Buehler Ecomet 6 y d‐)Microscopio óptico Leitz Metallux.

3.2.4 Microscopia Electrónica de Barrido (SEM).

El objetivo de este análisis fue observar con una mayor resolución la microestructura del acero A588 y así determinar con mayor precisión las fases presentes. Adicionalmente se utilizo una microsonda de rayos X por energ ía de dispersión, EDX por sus siglas en ingles, acoplada al SEM, con la cual se observo la cantidad,

composición química y tipo de inclusiones presentes en el acero con el objeto de determinar su pureza. Estos anális is se llevaron a cabo en los laboratorios de la Universidad Nacional de Colombia, con un equipo FEI Quanta 200 de alto vacio y una microsonda EDX control (EDX incorporated, 2003. Canadá), (Figura 36).

Figura 36.Microscopio electrónico de barrido.

3.2.5 Ensayo de Tensión.

El ensayo de tensión busca determinar el comportamiento de los materia les bajo cargas axiales. Con los datos obtenidos se determina el modulo de elasticidad, la resistencia ultima a la tensión y el esfuerzo de fluencia del materia l. Este ensayo se llevo a cabo bajo la norma ASTM E8, la cual proporciona los procedimientos para ensayos de tensión en metales. Se realizaron dos ensayos de tensión a una velocidad de 5 mm/s con una maquina de ensayos universales Instron 5586, la cual se observa en la figura 37.

Figura 37. Maquina de ensayos universales Instron 5586.

3.2.6 Ensayo de Velocidad de Corrosión. Este ensayo se llevo a cabo por medio del Potenciostato‐Galvanostato Autolab PGSTAT 128N (Figura 39) según la norma ASTM G5. Se utilizaron muestras con un área superficia l expuesta a los sistemas corrosivos de 0,3166 cm2 y una temperatura cercana a la temperatura ambiente de 20±2 ⁰C. El electrodo de trabajo debe ser recubierto con un materia l termoencogible y preparado con una resina de poliéster (Figura 40). Se determina la velocidad de corrosión del metal según la norma ASTM G102, utilizando la técnica de polarización lineal. Las curvas de polarización se realizaron a una velocidad de barrido de 1mV/S desde un potencial de ±300 mV con respecto al potencial de circuito abierto o potencial de corrosión. La velocidad de corrosión puede ser determinada mediante la técnica electroquímica de extrapolación de Tafel utilizando la ley de faraday de la siguiente manera.

.4

Donde: CR = Velocidad de Corrosión [mm/año] K = Constante de Faraday. 3.27 x 10‐3 [mm g /µA cm año] ρ= Densidad del material [g/cm3] EW= Peso equivalente del materia l, a dimensional La extrapolación de Tafel es una técnica de extrapolación en donde se aplican sobre potenciales de 250 a 300 mV, tanto en sentido catódico como anódico a partir del potencial de corrosión. Se obtiene la a partir de la intersección de las líneas tangenciales de las curvas de las regiones catódica y anódica en el potencia l de corrosión. La figura 38 muestra una curva de extrapolación de Tafel donde se observa la corriente de corrosión . Esta técnica permite la determinación de la velocidad de corrosión por medio de las densidades de corriente ofreciendo una alta sensibilidad y permitiendo la estimación de la velocidad de ataque de materiales altamente resistentes en tiempos cortos de exposición33.

33 Gómez, Z.E. Comparación de la velocidad de corrosión de un bronce de aluminio y los aceros austeniticos AISI 304 y AISI 316 en medios Acido, Básico y Neutro con la técnica electroquímica de extrapolación de Tafel. Depto. Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.

Figura 38. Curva de Extrapolación de Tafel.

Figura 39. Potenciostato/Galvanostato Autolab PGSTAT 128N.

Figura 40. Electrodo de Trabajo.

3.2.7 Ensayo de FTIR (Espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier).

Esta técnica es una de las más utilizadas para la identificación de materiales orgánicos

e inorgánicos. La capacidad de absorción de la luz infrarroja de un material a

diferentes frecuencias produce una huella espectral única, la cual está basada en las frecuencias a las cuales el material de prueba absorbe la luz infrarroja y la intensidad

de esas absorciones. Por lo general las pruebas se realizan en la zona media del espectro infrarrojo el cual va de 400 a 4000 números de onda que es equivalente a

longitudes de onda de 2.5 a 25 micrones (10 – 3 mm).

El objetivo de este ensayo es caracterizar la herrumbre formada sobre la superficie del material y así determinar qué elementos y compuestos están presentes en la

formación de la patina en el ambiente industrial moderado de la ciudad de Bogotá. El ensayo fue llevado a cabo según norma ASTM E 1252, y se realizo con un equipo

Nicolet 380 FT‐IR (Figura 41).

Figura 41. Espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier. Equipo Nicolet 380 FT‐IR.

3.2.8 Estación de corrosión Atmosférica. A partir de la instalación de la estación de corrosión atmosférica, es posible determinar el deterioro del materia l en condiciones ambientales y de operación reales. Este montaje se desarrollo a partir de las normas ASTM G5034, ASTM G435, ASTM G136 que indican el procedimiento para estudios de corrosión atmosférica. El montaje se construyo en acrílico para que resistiera las condiciones agresivas de la prueba y adicional a esto evitar la creación de una celda galvánica e interferir en el proceso natural de la corrosión atmosférica.

34 ASTM G 50; Standard practice for conducting atmospheric corrosion tests on metals.

35 ASTM G 4; Standard guide for conducting corrosion test in field applications.

36 ASTM G1; Standard guide for preparing , cleaning and evaluating corrosion test specimens.

Veinticuatro probetas fueron expuestas durante nueve meses a una atmosfera industrial moderada de la ciudad de Bogotá en la zona industria l del Toberin, la estación se ubico en la calle 166 # 19‐49. Las probetas fueron retiradas de la estación en periodos iguales de tiempo, siguiendo un cronograma de retiros estipulado desde el principio del ensayo (Tabla 3), de esta manera es posible cuantificar las pérdidas en peso y así determinar la tasa a la cual se corroe el material. La figura 42, muestra el diseño del montaje de la estación, la ubicación de las probetas sobre la estructura y la ubicación y posición final de las probetas. En el Anexo () se encuentran los planos de construcción de la estación de corrosión.

Figura 42. a‐) Diseño del montaje de la estación de corrosión. b‐) posición de las probetas sobre el montaje. c ‐) Montaje Final ubicación permanente de la estación de corrosión.

CRONOGRAMA DE RETIROS. Retiro Probetas fecha Tiempo de Exposición [Días]

1 1 2 Miércoles 15 Abril 2009 22 2 3 4 Jueves 8 Mayo 2009 44

3 5 6 Lunes 1 Junio 2009 66 4 7,8,9,10 Lunes 13 Julio 2009 110

5 11,12,13,14 Lunes 24 Agosto 2009 154 6 15,16,17,18 Lunes 5 de Octubre 2009 198

7 19,20,21,22 Lunes 16 Noviembre 2009 242 8 23,24 Sábado 5 Diciembre 2009 261

Tabla 3. Cronograma de retiros de las probetas para la estación de corrosión atmosférica ubicada en la ciudad de Bogotá.

3.2.9 Ensayo de Cámara de Atmosfera Simulada (Cámara Salina).

La cámara de atmosfera simulada (cámara salina), trabaja de manera controlada las condiciones atmosféricas presentes en las reg iones costeras. Con ella se pueden acelerar los efectos del ataque por corrosión, teniendo en cuenta que una duración de diez horas en la cámara salina, equivale a un año de exposición al ambiente marino. De esta manera se desarrollaron 6 ensayos equivalentes a 3, 5, 8, 10, 15 y 18 años de exposición al ambiente. La cámara fue construida en un proyecto de grado desarrollado en años anteriores por el departamento de ingeniería mecánica, la prueba se desarrolla siguiendo la norma ASTM B117, la cual indica los procedimientos para la operación de equipos de niebla dispersa. La cámara salina cuenta con una cámara interna de niebla, una reserva de solución salina, un suministro de aire comprimido, un humidificador, boquillas atomizadoras, soporte para las probetas, suministro de calor a la cámara, un techo en “V” invertida y un PLC o controlador. Un esquema general de la cámara salina se observa en la Figura 44, de la misma manera la F igura 45 muestra la cámara utilizada en el ensayo. La solución salina utilizada para la prueba tiene una concentración del 5±1% de NaCl y debe tener un valor cercano al 99.9% de pureza. La temperatura al interior de la cámara, en la zona de exposición debe ser mantenida en 35 ,

, ⁰C, esta temperatura

es controlada por el sistema de control, para asegurar que se mantenga constante durante la ejecución de las pruebas, así como la humedad relativa al interior de la cámara que debe estar cercana al 100%37.

Figura 43. Esquema simplificado de la cámara salina

38.

37Brito, Juan Carlos. Diseño, construcción y validación de una cámara salina para estudios de corrosión. Proyecto de

grado; asesor Wilson A Hormaza. Depto. Ingeniería Mec ánica, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia, 2007. 38 Ibid.

Figura 44. Cámara de atmosfera simulada (cámara salina).

4. RESULTADOS Y DISCUCIONES.

4.1 Análisis de Composición Química.

El análisis de composición química del acero A588, entrego los siguientes resultados (tabla 3).

Tabla 4. Composición química del acero AISI/SAE 1016 (% en peso).

Se puede observar que la composición química del acero A588, se encuentra en los rangos especificados por la norma ASTM/A588. Los ensayos realizados en la Universidad de los Andes, como en el SENA están acordes con los valores esperados.

4.2 Ensayo de Dureza.

El ensayo de dureza, realizo una serie de indentaciones como se muestra en el siguiente esquema (Figura 45‐a)) y en la probeta utilizada para el ensayo (Fi gura 41 ‐b)). Los resultados obtenidos en la escala de dureza Rockwell B se presentan en la tabla 4. Adicional a esto se utilizo la relación entre dureza brinel y el es fuerzo ultimo a la tensión con el fin de asegurar la calidad del material.

Figura 45. a‐) Esquema de indentaciones realizadas en el ensayo de dureza. b‐) Probeta usada en el ensayo.

Tabla 5.Durezas Rockwell B para el acero A588.

Utilizando el valor promedio obtenido de las indentaciones en la escala Rockwell B se determino la equivalencia en la escala Brinel utilizando la tabla de conversión de la norma ASTM E 140. Para obtener el valor exacto fue necesario realizar una interpolación con lo que se obtuvo que el valor equivalente a 89.78 HRB es 183.9 HB. De esta manera usando la siguiente relación, se estimo el valor del esfuerzo último de tensión en MPa.

0.45 3.10

3.10

3.10 183 .9 570.1

Según la norma ASTM/A588 el esfuerzo ultimo a la tensión para este acero no puede ser menor a 485 MPa. El valor obtenido a través de la relación de durezas cumple con el valor propuesto por la norma y difiere en un 8% con el valor obtenido en los ensayos de tensión. De esta manera se puede decir que el material cumple con la normativ idad y permite asegurar que el material cuenta con la calidad esperada.

4.3 Ensayo de Tensión. Los resultados obtenidos en los dos ensayos de tensión se encuentran en los rangos especificados por la norma ASTM/A588. En la F igura 46 y Figura 47 se observan las curvas esfuerzo‐deformación del acero A 588. A partir de estas graficas se estimaron los valores para el modulo de elasticidad (E), la resistencia ultima a la tensión (Sut) y el esfuerzo de fluencia (Sy) del material, que se indica en la tabla 6.

Figura 46. Curva esfuerzo‐deformación Acero A588. Ensayo N⁰ 1.

Figura 47. Curva esfuerzo‐deformación Acero A588. Ensayo N⁰ 2.

Tabla 6. Resultados de los ensayos de tensión realizados al acero A588. E [GPa]; Sy [MPa]; Sut [MPa].

0

100

200

300

400

500

600

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Esfuerzo [M

Pa]

Deformacion Unitaria [mm/mm]

CURVA ESFUERZO‐DEFORMACION ACERO A588

0

100

200

300

400

500

600

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Esfuerzo [M

Pa]

Deformacion Unitaria [mm/mm]

CURVA ESFUERZO‐DEFORMACION ACERO A‐588

4.4 Análisis Metalografico

Con el fin de determinar la densidad de inclusiones presentes en el materia l, es decir la cantidad de inclusiones existentes por unidad de área, se realizo un barrido sobre la superficie de la probeta metalografica, pulida al espejo sin ataque químico. Se tomaron 38 fotografías para realizar el análisis, siguiendo las normas ASTM E45 y la ASTM E 1245 las cuales indican los procedimientos para este tipo de ensayos. Por medio de un microscopio Olympus BX5‐1M y un paquete computacional Softimage System, se realizo un conteo de inclusiones obteniendo un valor medio, el cual se observa en la Tabla 7. El número de inclusiones presente en el acero A588 nacional, es mayor que el obtenido en una muestra del mismo acero importado (Tabla 7). Esto sugiere que la muestra nacional cuenta con una mayor cantidad de elementos ajenos a la composición química base, lo que puede llegar verse reflejado en su calidad y por lo tanto en sus propiedades mecánicas.

Se tomaron tres inclusiones particulares como referencia para realizar un anális is de composición química y así determinar su origen. La amplificación a 1600X mostrada en la Figura 48 permite observar las inclusiones utilizadas en el ensayo. A partir de la microsonda EDX se identifico la composición química de cada una de ellas, los espectros obtenidos permiten observar una alta presencia de azufre, manganeso y hierro, por lo que las inclusiones se componen de sulfuro de manganeso, producto de los procesos de fabricación del acero. Las Figuras 49 y 50 muestran los espectros para las inclusiones 1 y 2 respectivamente.

Figura 48. Ampl ificación de la superficie del Acero A588 a 1600x.

Tabla 7. Densidad de inclusiones en el Acero A588

39.

39 Pacheco, Julián. Comportamiento de los aceros estructurales ASTM A‐36 y ASTM A‐588 bajo efectos de corrosión atmosférica en un ambiente marino. Proyecto de Grado; Ingeniería Mec ánica, Universidad de los Andes.

Figura 49. Espectro de composición química encontrado en la inclusión 1 del Acero A588.

Figura 50. Espectro de composición química encontrado en la inclusión 2 del Acero A588.

De la misma manera se analizo la microestructura del acero A588, tanto en la dirección transversal como en la longitudinal. A partir del microscopio Olympus BX5‐1M se obtuvieron imágenes a 200x, 500x y 1000x, adicional a esto utilizando un microscopio de barrido electrónico (SEM), se obtuvieron imágenes a 1200x, 1600x y 3000x. En las Figuras 51 y 52 se observan dos imágenes por corte, la primera imagen esta a 500x y la segunda a 3000x, en cada una de ellas se observa que la microestructura está compuesta por dos fases, una matriz ferritica (zonas claras), la cual es más abundante y perlita (zonas Oscuras), este tipo de microestructura es típica de aceros de baja aleación con bajo contenido de carbono como se muestra en la f igura 27.

Al obtener imágenes con un alto aumento, se puede observar con mayor claridad la forma de

las fases presentes en la microestructura del acero, se observa que la forma de las micrografías presentan un patrón mas desordenado muy similar al encontrado en un tipo de

microestructura llamada ferrita Widmanstaetten, la cual está formada principalmente por cristales en forma de placas o agujas, los cuales se desarrollan en los límites de grano de la

austenita, así como a partir de los núcleos de los granos40. Este tipo de microestructura se

observa en las fotografías obtenidas a altos aumentos (3000x) en las Figuras 51 y 52 b‐).

40 Mesa G. Dario Hernan. consideraciones sobre aplicaciones tecnológicas de transformaciones de fase en aceros. Scientia et Technica Año XI, No 27, Abril 2005.

Figura 51. a‐) Micrografía corte transversal 500x. b‐) Micrografía corte transversal 1600x. (SEM)

Figura 52. a‐) Micrografía corte longitudinal 500x. b‐) Micrografía longitudinal 1600x (SEM).

4.5 Ensayo de Velocidad de corrosión.

En la figura 53 se observan las curvas de polarización para el acero A 588 en dos diferentes electrolitos, uno salino (NaCl) y otro acuoso (H2O). Las corrientes de corrosión icorr se determinaron a partir de la intersección de las líneas tangenciales de las curvas de las reg iones catódicas y anódicas en el potencial de corrosión como se describe en la Figura 38. A partir de la ecuación 4, en la cual se relacionan la corriente de corrosión (ί corr,), la densidad del material (ρ), el peso equivalente (EW) y la constante de Faraday (K) (Tabla 8), se obtiene la velocidad de corrosión (CR) en mm/año para cada uno de los medios utilizados. Los resultados se muestran en la Tabla 9, indicando que el acero A 588 se deteriora más rápidamente en presencia de cloruros, mientras que en un medio acuoso la tasa de corrosión es mucho menor, indicando que el acero A588 toma mucho más tiempo en corroerse permitiendo así la estabilización de la capa de oxido (Patina) sobre la superficie.

Figura 53.Polarización lineal para solución en medio salino (NaCl) y en medio Acuoso (H2O).

Tabla 8. Valores Constantes usados para determinar la velocidad de corrosión.

Tabla 9. Resultados de la velocidad de corrosión en mm/año.

4.6 Ensayo de FTIR (Espectroscopia de infrarrojos por transformada de Four ier).

Este ensayo se realizo con el objetivo de identificar los contaminantes presentes en la

herrumbre formada sobre la capa de las probetas de acero A588. De esta manera es posible

determinar si en efecto el acero estuvo sometido a un ambiente industrial moderado y de qué forma los contaminantes presentes en la atmosfera incidieron en el fenómeno de la corrosión.

Se tomo una muestra de la herrumbre formada sobre las probetas que estuvieron expuestas al ambiente durante 242 días y posteriormente fueron analizadas por espectroscopia de

infrarrojos (Figura 54).

Figura 54. Valores Pico de la prueba de FTIR.

Los valores pico en la grafica que se encuentran comprendidos entre 3500 y 2800 números de

onda corresponden a la zona de corrosión atmosférica, es decir la zona de longitudes de onda correspondientes a la molécula de agua (H2O). I ndicando que las probetas estuvieron expuestas a la intemperie, y por lo tanto es posible determinar la presencia de humedad en la

capa de oxido. La zona comprendida entre 2000 y 2500 números de onda, con un pico máximo de 2360 corresponde al compuesto de dióxido de carbono (CO2). La presencia de esta molécula

indica que el proceso de corrosión es afectado por los altos niveles de polución en el aire, causada por la presencia de los vehículos que transitan en la ciudad. Por último la zona

comprendida entre 1029 a 400 números de onda, corresponde al oxido de azufre (SO) y otros compuestos cuya base es el azufre. Estas dos últimas regiones del espectro se deben a la

contaminación característica de una ciudad industrial como Bogotá. El proceso de corrosión

desarrollado en la superficie de las probetas expuestas a la intemperie es influenciado por la presencia de estos contaminantes, confirmando la teoría de formación de la patina.

4.8 Ensayos de corrosión.

El objetivo de esta investigación es determinar el comportamiento del acero auto protector

A588 ante la corrosión atmosférica, específicamente en un ambiente industrial moderado.

Como se menciono anteriormente una estación de corrosión atmosférica fue insta lada para monitorear la formación de la capa protectora y evaluar las pérdidas de peso de las probetas

durante un periodo de exposición. Los tres primeros retiros de probetas se realizaron con un intervalo de 22 días de exposición, en cada uno de ellos se tomaron dos probetas para ser

evaluadas. Se determino que las pérdidas de peso en las probetas con pocos días de exposición llegaban a ser poco significativas, rediseñándose el calendario de retiros. Por lo

tanto se aumento el tiempo de exposición a 44 días, y también se aumento el número de

probetas a retirar, (cuatro). En la Tabla 3 se presenta es el cronograma final utilizado para el ensayo.

La pérdida de peso fue medida sobre cada probeta al momento de su retiro de la estación de

corrosión. Seguido a esto se limpiaron, es decir se retiro la capa de oxido de manera

controlada siguiendo la norma ASTM G1, cuantificándose la perdida de material base durante el proceso de corrosión. Estas mediciones se realizaron con una balanza de dos cifras

significativas con el fin de obtener el mayor grado de precisión posible durante las mediciones. El promedio de la pérdida de peso se determino a partir de las probetas retiradas en cada uno de los periodos establecidos y de esta manera se obtuv ieron ocho valores totales de pérdida

de peso. La Figura 55 muestra las pérdidas de peso contra el tiempo de exposición.

Figura 55. Curva de pérdidas de Peso [g] contra tiempo se exposición [días].

En la F igura 56 se observa que durante el primer y segundo periodo de exposición, así como

también entre el cuarto y el quinto periodo, ocurrió una disminución significativa en la

pérdida de peso. Durante el desarrollo del ensayo se esperaba un comportamiento creciente

respecto a la pérdida de peso del material, pero al observar la curva obtenida, se tienen puntos que contradicen lo esperado, esto posiblemente se debe a las condiciones atmosféricas

(Precipitaciones medias, Temperatura media, y humedad relativa media), presentes en la ciudad de Bogotá durante los meses en los cuales se realizo el ensayo. Con el fin de

comprender este comportamiento y la relación existente entre las condiciones climáticas mencionadas anteriormente se consulto la base de datos del IDEAM (Instituto de hidrolog ía

meteorología y estudios ambientales), obteniéndose los datos de la estación ubicada en el

aeropuerto El Dorado, ya que es la estación meteorológica representativa para la ciudad de Bogotá. Los datos obtenidos se muestran en las F iguras 56,57 y 58.

Figura56. Lluvias promedio mensuales para el año 2009.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Lluv

ias [m

ms]

Mes

Lluvias Totales Mensuales [mms]

Figura 57. Temperatura media mensual para el año 2009.

Figura 58. Humedad relativa promedio mensual para el año 2009.

La disminución en la pérdida de peso se presento específicamente en las probetas retiradas los

meses de Mayo y Agosto. Para el caso de las probetas retiradas en Mayo se observa que en la

mayoría del tiempo de exposición se presento un incremento en la temperatura media y al mismo tiempo disminuyeron las lluvias de manera drástica. Ya para las probetas retiradas en el

mes de Agosto, las precipitaciones bajaron de nuevo y la temperatura presento un leve

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Temperatura [⁰C]

Mes

Temperatura Media [⁰C]‐2009

0

10

20

3040

50

6070

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

% Hum

edad

Relativa

Mes

Humedad Relativa [%]‐2009

incremento. La formación de la patina requiere de periodos secos y húmedos para estabilizarse, cuando el tiempo de duración de uno de estos periodos es muy largo, la patina

detiene su avance, lo que posiblemente explica el comportamiento de la curva.

El estado final de las probetas retiradas en Mayo y Agosto (44 y 154 días de exposición respectivamente), mostraron un menor crecimiento de la patina a comparación del resto de

las probetas. Este comportamiento confirma la teoría de formación de la patina, ya que las

probetas cuyo periodo de exposición estuvo durante un periodo seco, no llegaron a presentar

un aumento determinante en la formación de la patina. Por otro lado el comportamiento presentado por el resto de las probetas, mostro un crecimiento uniforme en la formación de la patina según el tiempo de exposición. En adición a esto se observo que las caras expuestas

directamente a la intemperie, no mostraron cambios drásticos en la formación de la capa de oxido, se observan varias zonas en las cuales la patina empezó su crecimiento, sin embargo el

periodo de exposición no fue suficientemente extenso para que la capa cubriera un área

mayor y de esta manera se evidenciara un avance significativo. Las F iguras de la 59 a la 64

muestran el proceso de formación de la patina durante el ensayo en las probetas cuyo proceso fue más representativo para la investigación.

Figura 59. PROBETA N⁰ 1 – 22 Días de exposición.


Se determino la tasa de corrosión, en milésimas de pulgada por año, para cada probeta utilizando la EC. 2, la cual relaciona la pérdida de peso en gramos, la densidad del material, el

tiempo de exposición en días y el área superficial expuesta a las condiciones atmosféricas. La Figura 66 muestra la curva obtenida para la tasa de corrosión según el número de días de

exposición. Se observa en la grafica que la tasa de corrosión tiende a decrecer a medida que el tiempo de exposición aumenta. Se determino un modelo de comportamiento para la tasa de

corrosión del acero A 588, a partir de una aproximación potencial de la curva, ya que es el modelo que mejor aproxima los datos obtenidos. Se observa en la F igura 66, en color rojo, la

línea de tendencia que aproxima el comportamiento de la tasa de corrosión a partir de la ecuación (EC. 5), la cual modela el comportamiento con un coeficiente de correlación igual a 0.86.

0.0046 . . 541

Figura 65. Tasa de Corrosión para el Acero A588

El modelo matemático obtenido a partir de la experimentación, permitió la determinación de

la tasa de corrosión en milésimas de pulgada por año, para intervalos de exposición que aumentan cada 44 días. Al alcanzar los 1800 días es decir 5 años de exposición, se evidencia una tendencia de estabilización a un valor cercano a cero en el avance de la tasa de corrosión.

En la Figura 66 se observa el comportamiento del modelo evaluado a 5 años, esta tendencia

41 El [t] es el t iempo de exposición de las probetas en Días.

indica que para este momento la patina término el proceso de formación y estabilización en la superficie del acero.

Figura 66. Modelo del comportamiento de la tasa de corrosión del Acero A588.

El ensayo de corrosión realizado en la cámara salina, permitió determinar el comportamiento

del acero A588 en condiciones aceleradas, con un alto contenido de cloruros (NaCl). Este experimento simula las condiciones características de las zonas de litoral, determinando así la pérdida de peso en gramos. La preparación y evaluación de las probetas utilizadas en este

ensayo se realizaron de la misma manera que los llevados a cabo en el ensayo de corrosión atmosférica realizado en Bogotá. El estado final de las probetas expuestas durante 30 y 80

horas de cámara salina, es decir 3 y 8 años de exposición al ambiente de litoral se observa en las Figuras 67 y 68.

La superficie del acero A588 se encontró totalmente cubierta de una densa capa de oxido de tonalidad naranja, se observan algunas zonas con presencia de ataque localizado (Figura 68)

debido a la exposición ante un ambiente muy agresivo. Los resultados de la pérdida de peso obtenidos para los diferentes tiempos de exposición se muestran en la Figura 69. La pérdida de

peso en gramos de las probetas, aumenta de manera drástica con respecto al tiempo

equivalente de exposición. Este comportamiento evidencia que la capa de oxido (Patina) no

llega a un valor de estabilización con respecto al tiempo de exposición, y por tanto los compuestos presentes en una atmosfera marina, no permiten que el mecanismo

electroquímico de formación de la patina se desarrolle correctamente, impidiendo que el acero se auto proteja. De esta manera el avance de la corrosión en el material será

incontrolable, indicando que el ataque corrosivo no va a detenerse ni a estabilizarse lo que compromete las propiedades mecánicas y la estructura fís ica del acero A588. La utilización de

este acero bajo estas condiciones atmosféricas hace indispensable el uso de pinturas y recubrimientos anti corrosión, ya que sus cualidades auto protectoras no son útiles.

Figura 67. PROBETA 30 Horas de exposición en cámara Salina.

Figura 68. PROBETA 80 Horas de exposición en cámara Salina.

Figura 69. Perdidas de Peso [g] contra tiempo se exposición [Horas].

Figura 70. Tasa de Corrosión para el Acero A588 en Atmosferas marinas.

Al igual que en el ensayo realizado en la Bogotá, se determino un modelo de comportamiento

para la tasa de corrosión del acero A 588, a partir del comportamiento obtenido en la cámara

salina. Se realizo una aproximación potencial de la curva, esta aproximación del modelo no es precisa ya que el comportamiento del acero en estas condiciones es bastante irregular, sin

embargo teniendo en cuenta la incertidumbre experimental es posible usar el modelo para tener una idea del comportamiento a futuro del Acero A 588 en presencia de atmosferas ricas

en cloruros. Se observa en la Figura 70, en color rojo, la línea de tendencia que aproxima el comportamiento de la tasa de corrosión a partir de la ecuación (EC.6), la cual modela el

comportamiento con un coeficiente de correlación igual a 0.65.

7 10 . . 642

42 El [t] es el t iempo de exposición de las probetas equivalente a Días .

Figura 49. Modelo del comportamiento de la tasa de corrosión del Acero A588.

El modelo matemático obtenido a partir de la experimentación, permitió la determinación de

la tasa de corrosión en milésimas de pulgada por año, para intervalos de exposición que aumentan cada 2 años es decir cada 730 días a partir de los 18 años. Al alcanzar los 14600 días

es decir 40 años de exposición, se observa que no existe ninguna tendencia de estabilización en el avance de la tasa de corrosión, por el contrario esta sigue creciendo llevando al material

a la destrucción. En la Figura 71 se observa el comportamiento del modelo evaluado a 40 años, el cual indica que la patina no va a alcanzar un periodo estable.

5. CONCLUSIONES.

• El Acero A588 de fabricación nacional, utilizado durante la realización de este estudio, cumplió con los estándares exigidos por las normas internacionales. De esta manera se

corrobora que la calidad del materia l es óptima, tanto en sus propiedades mecánicas

como en sus características físicas.

• El análisis de inclusiones mostro que el acero A588 nacional contiene una densidad de inclusiones mayor a la encontrada en el acero A588 importado, lo que indica que se

deben mejorar los procesos de fabricación para asegurar una mayor calidad en el producto final.

• El comportamiento ante la corrosión atmosférica del acero auto protector A588 fue acorde con lo esperado. La capa protectora (Patina) mostro un patrón de formación proporcional al tiempo de exposición al ambiente, lo que permitió generar un modelo con el cual es posible estimar el comportamiento y formación de la capa de oxido.

• La experimentación en cámara salina, permitió determinar que el acero auto protector A 588 pierde sus características auto protectoras en una atmosfera rica en cloruros. La

capa protectora (patina) no llega a un nivel de estabilización por lo que el acero A 588 se comporta ante la corrosión atmosférica como un acero de bajo carbono con un bajo

contenido de aleantes, es decir que se deteriora a una tasa muy alta comprometiendo así sus propiedades mecánicas y su integridad física.

• Los modelos matemáticos obtenidos para evaluar el comportamiento del acero A588

según las condiciones de operación, son solamente una aproximación a lo que

sucederá con el material a futuro. Es posible usarlos para predecir el comportamiento del material pero se debe tener en cuenta el porcentaje de error asociado al modelo.

6. BIBLIOGRAFIA.

[1] AMERICAN SOCIETY OF TESTING MATERIALS.; Standard guide for preparing, cleaning and evaluating corrosion test specimens. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2007. (ASTM G1) [2] AMERICAN SOCIETY OF TESTING MATERIALS; Standard guide for conducting corrosion test in field applications. West Conshohocken, PA: ASTM I nternational, 2007. (ASTM G4). [3] AMERICAN SOCIETY OF TESTING MATERIALS; Standard practice for conducting atmospheric corrosion tests on metals.. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2007. (ASTM G50). [4] A corrosion prediction method for weathering steels. Hiroshi Kihira, Takehide Senuma,

Mutsuto Tanaka, Kiyoshi Nishioka, YAsunori Fujii, Yutaka Sakata, Japon [5] ASM Handbook, 10a Ed, Vol 12: Corrosion, American society for metals. Materia ls park,

Ohio: ASM international, c 1990‐2007. [6] Chawla S.L, Gupta R.K. Materials selection for corrosion control. ASM international, 1er

edition. [7] Hiroshi Kihira , Systematic approaches toward minimum maintenance risk management

methods for weathering steel infrastructures., Steel Coprporation, steel research Laboratories, steel products Lab, ‐I, 20‐1 Shitomi Futtsu

[8] Jaramillo Beatriz, Calderón Jorge Andrés, Castaño Juan Guillermo .Evaluación electro

química de aceros auto protectores en condiciones simuladas de laboratorio. Grupo de corrosión y Protección, Universidad de Antioquia, SIU, Medellín‐Colombia.

[9] Jonnes Denny A. Principles and prevention of corrosion. 2nd Edition. Prentice Hall. [10] Marulanda José L. Fundamentos de la Corrosión. Universidad Tecnológ ica de Pereira. 1era

Edicion, 2006. [11]Mesa G. Dario Hernan. Consideraciones sobre aplicaciones tecnológicas de

transformaciones de fase en aceros. Scientia et Technica Año XI, No 27, Abril 2005.

[12] NACE basic corrosion course, National Association of Corrosion Engineers (Houston), Tex. :

National Association of Corrosion Engineers, c1970.

[13] R.E Melchers, A new I nterpretation of the corrosion loss processes for weathering steels in marine atmospheres, Corrosion Science (2008)

[14]Roberge Pierre R. Corrosion Engineering, principles and practice. Mc Graw Hill 1st edition. [15]Roberge Pierre R. Handbook of Corrosion Engineering. Mc Graw Hill 1st edition. [16] Schweitzer, Philip A. Atmospheric degradation and corrosion control. Marcel DekKer, I nc. [17] Sei J.Oh, D.C. Cook, H.E.Townsend. Atmospheric corrosion of different steels in marine,

rural and industrial environments. Department of Physics, Old Dominion university, Norfolk, VA 23529, USA.

[18] Uhlig HH. The cost of corrosion in the United States. Chemical and engineering news 1949; 27: 2764.

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