Un ánodo galvánico , o ánodo de sacrificio , es el componente principal de un sistema de protección catódica galvánica utilizado para proteger de la corrosión estructuras metálicas enterradas o sumergidas .
Están fabricados a partir de una aleación metálica 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 significa que el ánodo galvánico se corroe, siendo de hecho "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, oxidación (ecuación 1 ), donde los electrones abandonan el metal (y el metal se disuelve, es decir, se produce una pérdida real de metal) y reducción, donde los electrones se utilizan para convertir oxígeno y agua a iones hidróxido (ecuación 2 ): [2]
En la mayoría de los entornos, los iones de hidróxido y los iones ferrosos se combinan para formar hidróxido ferroso , que eventualmente 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 células electroquímicas en la superficie del metal, de modo que algunas áreas se vuelven anódicas (oxidación) y otras catódicas (reducción). Los electrones fluyen desde las áreas anódicas hacia el electrolito a medida que el metal se corroe. Por el contrario, a medida que los electrones fluyen desde el electrolito a las áreas catódicas, se reduce la velocidad de corrosión. [4] (El flujo de electrones es en 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. Ésta es más bien una visión simplificada del proceso de corrosión, porque puede ocurrir de varias formas diferentes. [5]
La prevención de la corrosión mediante protección catódica (CP) 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 respecto al ánodo. . Esto detiene eficazmente las reacciones de oxidación en la superficie del metal transfiriéndolas al ánodo galvánico, que será sacrificado en favor de la estructura bajo protección. [6] Dicho de manera más simple, esto aprovecha la estabilidad relativamente baja de los metales de magnesio, aluminio o zinc; se disuelven en lugar del hierro porque su enlace es más débil en comparación con el hierro, que está fuertemente unido a través de sus orbitales d parcialmente llenos.
Para que esta protección funcione, debe haber una vía de electrones entre el ánodo y el metal a proteger (p. ej., un cable o contacto directo) y una vía de iones entre el agente oxidante (p. ej., 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.
Hay tres metales principales utilizados como ánodos galvánicos: magnesio , aluminio y zinc . Todos están disponibles en forma de bloques, varillas, placas o cintas extruidas. Cada material tiene ventajas y desventajas.
El magnesio tiene el potencial electrolítico más negativo de los tres (ver serie galvánica ) y es más adecuado para áreas donde la resistividad del electrolito (suelo o agua) es mayor. Suelen ser tuberías terrestres y otras estructuras enterradas, aunque también se utiliza en embarcaciones en agua dulce y en calentadores de agua. En algunos casos, el potencial negativo del magnesio puede ser una desventaja: si el potencial del metal protegido se vuelve demasiado negativo, la reducción del agua o de los protones solvatados puede desprender átomos de hidrógeno en la superficie del cátodo, por ejemplo según
lo que lleva a la fragilización por hidrógeno o a la desunión del recubrimiento. [7] [8] Cuando esto sea un problema, se pueden utilizar ánodos de zinc. Una aleación de aluminio, zinc y estaño llamada KA90 se usa comúnmente en aplicaciones marinas y de calentadores de agua. [9]
El zinc y el aluminio se utilizan generalmente en agua salada, donde la resistividad es generalmente menor y el magnesio se disuelve relativamente rápido por reacción con agua bajo desprendimiento de hidrógeno (autocorrosión). Los usos típicos son 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 confiable, 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 conducción relativamente bajo, lo que significa que en suelos o agua de mayor resistividad es posible que no pueda proporcionar suficiente corriente. Sin embargo, en algunas circunstancias, cuando existe 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 mayor 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 golpea una superficie oxidada se puede generar una gran chispa de termita , por lo que su uso está restringido en tanques donde puede haber atmósferas explosivas y existe riesgo de caída del ánodo. [8]
Dado que el funcionamiento de un ánodo galvánico depende de la diferencia de potencial electromagnético entre el ánodo y el cátodo, se puede utilizar prácticamente cualquier metal para proteger otro, siempre que exista una diferencia de potencial suficiente. Por ejemplo, se pueden utilizar ánodos de hierro para proteger el 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. Muy poco material puede brindar protección por un tiempo, pero es necesario reemplazarlo periódicamente. Demasiado material proporcionaría protección a un costo innecesario. La masa en kg viene dada por la ecuación ( 5 ). [14]
La cantidad de corriente requerida corresponde directamente al área de superficie del metal expuesta al suelo o al agua, por lo que la aplicación de un recubrimiento reduce drásticamente la masa de material anódico requerida. Cuanto mejor sea el recubrimiento, menos material anódico se necesitará.
Una vez que se conoce la masa de material requerida, se elige el tipo particular de ánodo. Los ánodos de diferentes formas tendrán una resistencia diferente a tierra, lo que determina la cantidad de corriente que se puede producir, por lo que la resistencia del ánodo se calcula para garantizar que haya suficiente corriente disponible. Si la resistencia del ánodo es demasiado alta, se elige un ánodo de diferente forma o tamaño, o se debe utilizar una mayor cantidad de ánodos. [14]
Luego se planifica la disposición de los ánodos de manera que 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 largo necesita 10 ánodos, entonces aproximadamente un ánodo por kilómetro sería más efectivo que colocar los 10 ánodos en un extremo o en el centro.
Como los materiales anódicos utilizados son generalmente más costosos que el hierro, utilizar este método para proteger estructuras metálicas ferrosas puede no parecer particularmente rentable. Sin embargo, también se deben considerar los costos incurridos para reparar un casco corroído o reemplazar una tubería o tanque de acero porque su integridad estructural se ha visto comprometida por la corrosión.
Sin embargo, existe un límite para la rentabilidad de un sistema galvánico. En estructuras más grandes, como tuberías largas, es posible que se necesiten tantos ánodos que sería más rentable instalar protección catódica de 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 presión a alta presión para ánodos de sacrificio está muy extendido. Es un proceso mecánico totalmente automatizado. Para que el proceso de fabricación se desarrolle de forma fiable y repetible, se requiere una modificación de la aleación del ánodo de sacrificio procesada. Alternativamente, 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 una protección contra la corrosión óptima al 100%.
