Un ánodo galvánico , o ánodo de sacrificio , es el componente principal de un sistema de protección catódica galvánica que se utiliza para proteger estructuras metálicas enterradas o sumergidas de la corrosión .
Están fabricados con una aleación de metal con un voltaje más "activo" (más potencial de reducción negativo / más potencial de oxidación positivo ) que el metal de la estructura. La diferencia de potencial entre los dos metales hace que el ánodo galvánico se corroa, siendo en efecto "sacrificado" para proteger la estructura.
En resumen, la corrosión es una reacción química que ocurre mediante un mecanismo electroquímico (una reacción redox ). [1] Durante la corrosión del hierro o del acero hay dos reacciones, la oxidación (ecuación 1 ), donde los electrones abandonan el metal (y el metal se disuelve, es decir, se produce una pérdida real de metal) y la reducción, donde los electrones se utilizan para convertir el oxígeno y el agua en iones de hidróxido (ecuación 2 ): [2]
En la mayoría de los entornos, los iones hidróxido y los iones ferrosos se combinan para formar hidróxido ferroso , que finalmente se convierte en el conocido óxido marrón: [3]
A medida que se produce la corrosión, se producen reacciones de oxidación y reducción y se forman celdas electroquímicas en la superficie del metal, de modo que algunas áreas se volverán anódicas (oxidación) y otras catódicas (reducción). Los electrones fluyen desde las áreas anódicas hacia el electrolito a medida que el metal se corroe. Por el contrario, a medida que los electrones fluyen desde el electrolito hacia las áreas catódicas, se reduce la velocidad de corrosión. [4] (El flujo de electrones se realiza en la dirección opuesta al flujo de corriente eléctrica ).
A medida que el metal continúa corroyéndose, los potenciales locales en la superficie del metal cambiarán y las áreas anódica y catódica cambiarán y se moverán. Como resultado, en los metales ferrosos, se forma una capa general de óxido sobre toda la superficie, que eventualmente consumirá todo el metal. Esta es una visión bastante simplificada del proceso de corrosión, porque puede ocurrir en varias formas diferentes. [5]
La prevención de la corrosión mediante protección catódica (PC) funciona introduciendo otro metal (el ánodo galvánico) con una superficie mucho más anódica, de modo que toda la corriente fluirá desde el ánodo introducido y el metal a proteger se vuelve catódico en comparación con el ánodo. Esto detiene eficazmente las reacciones de oxidación en la superficie del metal al transferirlas al ánodo galvánico, que se sacrificará en favor de la estructura bajo protección. [6] En términos más simples, esto aprovecha la estabilidad relativamente baja de los metales magnesio, aluminio o zinc; se disuelven en lugar del hierro porque su enlace es más débil en comparación con el hierro, que está unido fuertemente a través de sus orbitales d parcialmente llenos.
Para que esta protección funcione, debe haber una vía de electrones entre el ánodo y el metal a proteger (por ejemplo, un cable o un contacto directo) y una vía de iones entre el agente oxidante (por ejemplo, oxígeno y agua o suelo húmedo) y el ánodo, y el agente oxidante y el metal a proteger, formando así un circuito cerrado; por lo tanto, simplemente atornillar una pieza de metal activo, como el zinc, a un metal menos activo, como el acero dulce, en el aire (un mal conductor iónico) no proporcionará ninguna protección.
Existen tres metales principales que se utilizan como ánodos galvánicos: magnesio , aluminio y zinc . Todos ellos están disponibles en forma de bloques, barras, placas o cintas extruidas. Cada material tiene ventajas y desventajas.
El magnesio tiene el potencial electromagnético más negativo de los tres (ver serie galvánica ) y es más adecuado para áreas donde la resistividad del electrolito (suelo o agua) es mayor. Por lo general, se trata de tuberías en tierra y otras estructuras enterradas, aunque también se utiliza en barcos en agua dulce y en calentadores de agua. En algunos casos, el potencial negativo del magnesio puede ser una desventaja: si el potencial del metal protegido se vuelve demasiado negativo, la reducción del agua o los protones solvatados pueden generar átomos de hidrógeno en la superficie del cátodo, por ejemplo, según
lo que provoca fragilización por hidrógeno o desprendimiento del revestimiento. [7] [8] Cuando esto es un problema, se pueden utilizar ánodos de zinc. Una aleación de aluminio, zinc y estaño llamada KA90 se utiliza comúnmente en aplicaciones marinas y de calentadores de agua. [9]
El zinc y el aluminio se utilizan generalmente en agua salada, donde la resistividad suele ser menor y el magnesio se disuelve relativamente rápido por reacción con el agua bajo desprendimiento de hidrógeno (autocorrosión). Los usos típicos son en los cascos de barcos y embarcaciones, tuberías marinas y plataformas de producción, en motores marinos refrigerados por agua salada, en hélices y timones de embarcaciones pequeñas y en la superficie interna de tanques de almacenamiento.
El zinc se considera un material fiable, pero no es adecuado para su uso a temperaturas más altas, ya que tiende a pasivarse (la capa de óxido formada protege contra una mayor oxidación); si esto sucede, la corriente puede dejar de fluir y el ánodo deja de funcionar. [10] El zinc tiene un voltaje de excitación relativamente bajo, lo que significa que en suelos o agua de mayor resistividad puede no ser capaz de proporcionar suficiente corriente. Sin embargo, en algunas circunstancias (donde existe un riesgo de fragilización por hidrógeno , por ejemplo), este voltaje más bajo es ventajoso, ya que se evita la sobreprotección. [11]
Los ánodos de aluminio tienen varias ventajas, como un peso más ligero y una capacidad mucho mayor que los de zinc. Sin embargo, su comportamiento electroquímico no se considera tan fiable como el del zinc, y se debe tener más cuidado en su uso. Los ánodos de aluminio se pasivarán cuando la concentración de cloruro sea inferior a 1.446 partes por millón . [12]
Una desventaja del aluminio es que si choca con una superficie oxidada puede generarse una gran chispa de termita , por lo que su uso está restringido en tanques donde puede haber atmósferas explosivas y existe el riesgo de que caiga el ánodo. [8]
Dado que el funcionamiento de un ánodo galvánico depende de la diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo, prácticamente cualquier metal puede utilizarse para proteger a otro, siempre que exista una diferencia de potencial suficiente. Por ejemplo, los ánodos de hierro pueden utilizarse para proteger al cobre. [13]
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El diseño de un sistema CP de ánodo galvánico debe considerar muchos factores, incluido el tipo de estructura, la resistividad del electrolito (suelo o agua) en el que operará, el tipo de recubrimiento y la vida útil.
El cálculo principal es cuánto material de ánodo se necesitará para proteger la estructura durante el tiempo requerido. Una cantidad insuficiente de material puede brindar protección durante un tiempo, pero es necesario reemplazarlo con regularidad. Una cantidad excesiva de material brindaría protección a un costo innecesario. La masa en kg se da mediante la ecuación ( 5 ). [14]
La cantidad de corriente necesaria corresponde directamente a la superficie del metal expuesta al suelo o al agua, por lo que la aplicación de un revestimiento reduce drásticamente la masa de material anódico necesaria. Cuanto mejor sea el revestimiento, menos material anódico se necesitará.
Una vez que se conoce la masa de material necesaria, se elige el tipo particular de ánodo. Los ánodos de formas diferentes tendrán una resistencia a tierra diferente, lo que determina la cantidad de corriente que se puede producir, por lo que se calcula la resistencia del ánodo para garantizar que habrá suficiente corriente disponible. Si la resistencia del ánodo es demasiado alta, se elige un ánodo de forma o tamaño diferente, o se debe utilizar una mayor cantidad de ánodos. [14]
La disposición de los ánodos se planifica entonces de modo que se proporcione una distribución uniforme de la corriente en toda la estructura. Por ejemplo, si un diseño particular muestra que una tubería de 10 kilómetros (6,2 millas) de longitud necesita 10 ánodos, entonces aproximadamente un ánodo por kilómetro sería más eficaz que colocar los 10 ánodos en un extremo o en el centro.
Como los materiales utilizados para los ánodos suelen ser más costosos que el hierro, el uso de este método para proteger las estructuras de metales ferrosos puede no parecer especialmente rentable. Sin embargo, también se deben tener en cuenta los costos que se generan al reparar un casco corroído o reemplazar una tubería o un tanque de acero debido a que su integridad estructural se ha visto comprometida por la corrosión.
Sin embargo, la relación coste-beneficio de un sistema galvánico tiene un límite. En estructuras más grandes, como tuberías largas, pueden necesitarse tantos ánodos que sería más rentable instalar protección catódica por corriente impresa .
El método básico consiste en producir ánodos de sacrificio mediante un proceso de fundición. Sin embargo, se pueden distinguir dos métodos de fundición. [15]
El proceso de fundición a alta presión para ánodos de sacrificio está muy extendido. Se trata de un proceso de máquina totalmente automatizado. Para que el proceso de fabricación se lleve a cabo de forma fiable y repetible, es necesario modificar la aleación del ánodo de sacrificio procesada. Como alternativa, para la producción de los ánodos de sacrificio se utiliza el proceso de fundición por gravedad. Este proceso se realiza de forma manual o parcialmente automatizada. La aleación no tiene que adaptarse al proceso de fabricación, sino que está diseñada para ofrecer una protección anticorrosiva óptima al 100 %.
