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Ingeniería de corrosión

La ingeniería de corrosión es una especialidad de ingeniería que aplica habilidades científicas, técnicas, de ingeniería y conocimientos de las leyes naturales y recursos físicos para diseñar e implementar materiales, estructuras, dispositivos, sistemas y procedimientos para controlar la corrosión . [1] Desde una perspectiva holística, la corrosión es el fenómeno en el que los metales regresan al estado en que se encuentran en la naturaleza. [2] La fuerza impulsora que hace que los metales se corroan es una consecuencia de su existencia temporal en forma metálica. Para producir metales a partir de minerales y menas naturales, es necesario proporcionar una cierta cantidad de energía, por ejemplo, mineral de hierro en un alto horno . Por lo tanto, es termodinámicamente inevitable que estos metales, cuando se exponen a diversos entornos, vuelvan a su estado en la naturaleza. [3] La corrosión y la ingeniería de la corrosión implican, por tanto, un estudio de la cinética química , la termodinámica , la electroquímica y la ciencia de los materiales .

Antecedentes generales

Generalmente relacionada con la metalurgia o la ciencia de los materiales , la ingeniería de corrosión también se relaciona con los no metálicos, incluidos la cerámica, el cemento , el material compuesto y los materiales conductores como el carbono y el grafito. Los ingenieros de corrosión a menudo gestionan otros procesos no estrictamente de corrosión que incluyen (pero no se limitan a) agrietamiento, fractura frágil, agrietamiento, fricción, erosión y, más típicamente, se clasifican como gestión de activos de infraestructura . En la década de 1990, el Imperial College de Londres incluso ofreció una Maestría en Ciencias titulada "La corrosión de los materiales de ingeniería". [4] UMIST – Instituto de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Manchester y ahora parte de la Universidad de Manchester también ofreció un curso similar. Los cursos de maestría en Ingeniería de Corrosión están disponibles en todo el mundo y los planes de estudio contienen material de estudio sobre el control y la comprensión de la corrosión. La Universidad Estatal de Ohio tiene un centro de corrosión que lleva el nombre de uno de los ingenieros de corrosión más conocidos, Mars G Fontana . [5]

Costos de corrosión

En el año 1995, se informó que los costos de la corrosión a nivel nacional en los EE. UU. ascendían a casi 300 mil millones de dólares al año. [6] Esto confirmó informes anteriores sobre daños a la economía mundial causados ​​por la corrosión.

Zaki Ahmad, en su libro Principios de ingeniería de corrosión y control de la corrosión , afirma que "la ingeniería de corrosión es la aplicación de los principios desarrollados a partir de la ciencia de la corrosión para minimizar o prevenir la corrosión". [7] Shreir y cols. sugieren lo mismo en su gran obra de dos volúmenes titulada Corrosion . [8] La ingeniería de corrosión implica el diseño de esquemas de prevención de la corrosión y la implementación de códigos y prácticas específicos. Las medidas de prevención de la corrosión, incluida la protección catódica , el diseño para prevenir la corrosión y el revestimiento de estructuras, entran dentro del régimen de ingeniería de corrosión. Sin embargo, la ciencia y la ingeniería de la corrosión van de la mano y no se pueden separar: es un matrimonio permanente producir nuevos y mejores métodos de protección de vez en cuando. Esto puede incluir el uso de inhibidores de corrosión . En el Manual de ingeniería de corrosión , el autor Pierre R. Roberge afirma "La corrosión es el ataque destructivo de un material por reacción con su entorno. Las graves consecuencias del proceso de corrosión se han convertido en un problema de importancia mundial". [9]

Los costos no son sólo monetarios. Hay un costo financiero y también un desperdicio de recursos naturales. En 1988 se estimaba que en el Reino Unido una tonelada de metal se convertía completamente en óxido cada noventa segundos. [10] También está el coste de las vidas humanas. Los fallos, ya sean catastróficos o debidos a la corrosión, han costado vidas humanas. [11]

Ingeniería de corrosión y sociedades y asociaciones de corrosión.

Se han formado grupos de ingeniería de corrosión en todo el mundo para educar, prevenir, frenar y gestionar la corrosión. Entre ellos se incluyen la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión (NACE), la Federación Europea de Corrosión (EFC), el Instituto de Corrosión del Reino Unido y la Asociación de Corrosión de Australasia . La tarea principal del ingeniero de corrosión es gestionar de forma económica y segura los efectos de la corrosión de los materiales.

Contribuyentes notables al campo

Algunos de los contribuyentes más notables a la disciplina de Ingeniería de Corrosión incluyen, entre otros:

Tipos de situaciones de corrosión.

Los ingenieros y consultores de corrosión tienden a especializarse en escenarios de corrosión interna o externa. En ambos, pueden proporcionar recomendaciones para el control de la corrosión, investigaciones de análisis de fallas, vender productos para el control de la corrosión o proporcionar instalación o diseño de sistemas de monitoreo y control de la corrosión. [7] [12] [13] [14] [15] Cada material tiene su debilidad. El aluminio , los revestimientos galvanizados/zinc, el latón y el cobre no sobreviven bien en ambientes con pH muy alcalino o muy ácido. El cobre y los latones no sobreviven bien en ambientes con alto contenido de nitratos o amoníaco . Los aceros al carbono y el hierro no sobreviven bien en suelos con baja resistividad y ambientes con alto contenido de cloruro. [16] Los ambientes con alto contenido de cloruro pueden incluso superar y atacar el acero revestido en concreto normalmente protector. El hormigón no sobrevive bien en ambientes ácidos y con alto contenido de sulfatos. Y nada sobrevive bien en entornos con alto contenido de sulfuro y bajo potencial redox con bacterias corrosivas. Esto se llama corrosión por sulfuro biogénico . [17] [18]

Corrosión externa

Corrosión del lado del suelo subterráneo

Los ingenieros de control de corrosión subterránea recolectan muestras de suelo para probar la química del suelo en busca de factores corrosivos como pH, resistividad mínima del suelo, cloruros, sulfatos, amoníaco , nitratos, sulfuros y potencial redox. [19] [20] Recolectan muestras de la profundidad que ocupará la infraestructura, porque las propiedades del suelo pueden cambiar de un estrato a otro. La prueba mínima de resistividad del suelo in situ se mide utilizando el método de cuatro pines de Wenner, si se realiza con frecuencia para juzgar la corrosividad de un sitio. Sin embargo, durante un período seco, es posible que la prueba no muestre corrosividad real, ya que la condensación subterránea puede dejar más húmedo el suelo en contacto con las superficies metálicas enterradas. Por eso es importante medir la resistividad mínima o saturada de un suelo. Las pruebas de resistividad del suelo por sí solas no identifican elementos corrosivos. [21] Los ingenieros de corrosión pueden investigar ubicaciones que experimentan corrosión activa utilizando métodos de inspección sobre el suelo y diseñar sistemas de control de corrosión, como protección catódica, para detener o reducir la velocidad de la corrosión. [22]

Los ingenieros geotécnicos generalmente no practican la ingeniería de corrosión y derivan a los clientes a un ingeniero de corrosión si la resistividad del suelo es inferior a 3000 ohm-cm o menos, dependiendo de la tabla de categorización de corrosividad del suelo que leen. Desafortunadamente, una antigua granja lechera puede tener resistividades del suelo superiores a 3000 ohm-cm y aún contener niveles corrosivos de amoníaco y nitrato que corroen las tuberías de cobre o las varillas de conexión a tierra. Un dicho general sobre la corrosión es: "Si el suelo es bueno para la agricultura, también lo es para la corrosión".

Corrosión externa submarina

Los ingenieros de corrosión submarina aplican los mismos principios que se utilizan en el control de la corrosión subterránea, pero utilizan buzos certificados y especialmente capacitados para la evaluación del estado y la instalación y puesta en marcha del sistema de control de la corrosión. [23] [24] La principal diferencia está en el tipo de celdas de referencia utilizadas para recopilar lecturas de voltaje. La corrosión de pilotes [25] [26] y de las patas de las plataformas de petróleo y gas es motivo de especial preocupación. [27] Esto incluye plataformas en el Mar del Norte frente a la costa del Reino Unido y el Golfo de México .

Corrosión atmosférica

La corrosión atmosférica generalmente se refiere a la corrosión general en un ambiente no específico. La prevención de la corrosión atmosférica generalmente se logra mediante el uso de la selección de materiales y especificaciones de recubrimiento . [28] El uso de recubrimientos de zinc, también conocido como galvanización en estructuras de acero, es una forma de protección catódica donde el zinc actúa como un ánodo de sacrificio y también como una forma de recubrimiento. [29] Se espera que con el tiempo se produzcan pequeños rayones en el revestimiento galvanizado. El zinc, que es más activo en la serie galvánica, se corroe con preferencia al acero subyacente y los productos de corrosión rellenan el rayado evitando una mayor corrosión. Mientras los rayones sean finos, la humedad de la condensación no debería corroer el acero subyacente siempre que tanto el zinc como el acero estén en contacto. Mientras hay humedad, el zinc se corroe y eventualmente desaparece. También se utiliza protección catódica de corriente impresa . [30]

Vista lateral del puente ferroviario Crow Hall al norte de Preston Lancs corroído - general
Pórtico de electrificación de acero corroído

Zona de salpicaduras y corrosión por pulverización de agua.

'Chaquetas de pilotes' que recubren viejos pilotes de puentes de hormigón para combatir la corrosión que se produce cuando las grietas en los pilotes permiten que el agua salada entre en contacto con las varillas internas de refuerzo de acero.
Miembro estructural Blackpool Promenade en Bispham muy corroído

La definición habitual de zona de salpicadura es el área justo encima y justo debajo del nivel promedio de agua de una masa de agua. También incluye áreas que pueden estar sujetas a rociado y niebla de agua. [31] [32] [33]

Una cantidad significativa de corrosión de las cercas se debe a que las herramientas de paisajismo rayan los revestimientos de las cercas y a los aspersores de riego que rocían estas cercas dañadas. El agua reciclada suele tener un mayor contenido de sal que el agua potable, lo que significa que es más corrosiva que el agua del grifo normal. El mismo riesgo de daños y rociado de agua existe para las tuberías elevadas y los dispositivos de prevención de reflujo. Las cubiertas de fibra de vidrio, las jaulas y las bases de concreto han funcionado bien para mantener las herramientas a distancia. Incluso el lugar donde cae el desagüe del techo puede ser importante. El drenaje del valle del techo de una casa puede caer directamente sobre un medidor de gas, provocando que sus tuberías se corroan a un ritmo acelerado, alcanzando el 50% del espesor de la pared en 4 años. Es el mismo efecto que una zona de chapoteo en el océano, o en una piscina con mucho oxígeno y agitación que elimina material a medida que se corroe. [34]

Los tanques o tuberías estructurales, como soportes para bancos o atracciones en parques de diversiones, pueden acumular agua y humedad si la estructura no permite el drenaje. Este ambiente húmedo puede provocar una corrosión interna de la estructura que afecte la integridad estructural. Lo mismo puede ocurrir en ambientes tropicales, provocando corrosión externa. Esto incluiría la corrosión en los tanques de lastre de los barcos.

Corrosión de tuberías

A menudo se transportan materiales peligrosos en las tuberías y, por lo tanto, su integridad estructural es de suma importancia. Por tanto, la corrosión de una tubería puede tener graves consecuencias. [35] Uno de los métodos utilizados para controlar la corrosión de las tuberías es mediante el uso de recubrimientos epóxicos adheridos por fusión . DCVG se utiliza para monitorearlo. También se utiliza protección catódica de corriente impresa . [36]

Corrosión en la industria petroquímica

La industria petroquímica suele encontrarse con medios corrosivos agresivos. Estos incluyen sulfuros y altas temperaturas. Por lo tanto, el control y las soluciones a la corrosión son necesarios para la economía mundial. [37] La ​​formación de incrustaciones en el agua de inyección presenta sus propios problemas con respecto a la corrosión y, por tanto, para el ingeniero de corrosión. [38]

Corrosión en tanques de lastre

Los tanques de lastre de los barcos contienen combustibles corrosivos. El agua es uno y el aire suele estar presente también y el agua puede estancarse. La integridad estructural es importante para la seguridad y para evitar la contaminación marina. Los recubrimientos se han convertido en la solución preferida para reducir la cantidad de corrosión en los tanques de lastre. [39] También se ha utilizado protección catódica de corriente impresa . [40] Asimismo, también se utiliza protección catódica con ánodo de sacrificio. [41] Dado que los cloruros aceleran enormemente la corrosión, los tanques de lastre de los buques marinos son particularmente susceptibles. [42]

Corrosión en la industria ferroviaria

Se ha afirmado que uno de los mayores desafíos de la industria ferroviaria del Reino Unido es la corrosión. [43] El mayor problema es que la corrosión puede afectar la integridad estructural de los vagones de ferrocarril que transportan pasajeros, afectando así a su resistencia a los choques. Otras estructuras y activos ferroviarios también pueden verse afectados. La Institución Camino Permanente imparte conferencias sobre el tema periódicamente. En enero de 2018, la corrosión de una estructura metálica provocó el cierre de emergencia de la estación de tren de Liverpool Lime Street. [44] [45] [46]

Corrosión galvánica

Corrosión bimetálica

La corrosión galvánica (también llamada corrosión bimetálica) es un proceso electroquímico en el que un metal (el más activo) se corroe preferentemente cuando está en contacto eléctrico con otro metal diferente, en presencia de un electrolito . [47] [48] Una reacción galvánica similar se aprovecha en las celdas primarias para generar un voltaje eléctrico útil para alimentar dispositivos portátiles; un ejemplo clásico es una celda con electrodos de zinc y cobre . La corrosión galvánica también se aprovecha cuando se utiliza un metal de sacrificio en la protección catódica . La corrosión galvánica ocurre cuando hay un metal activo y un metal más noble en contacto en presencia de electrolito . [49]

Corrosión por picadura

La corrosión por picaduras, o picaduras, es una corrosión extremadamente localizada que conduce a la creación de pequeños agujeros en el material, casi siempre un metal. [50] Las fallas resultantes de esta forma de corrosión pueden ser catastróficas. Con la corrosión general, es más fácil predecir la cantidad de material que se perderá con el tiempo y esto se puede diseñar en la estructura de ingeniería. Las picaduras, al igual que la corrosión por grietas, pueden provocar una falla catastrófica con muy poca pérdida de material. La corrosión por picaduras ocurre en materiales pasivos. El mecanismo de reacción clásico ha sido atribuido a Ulick Richardson Evans . [51]

Corrosión por grietas

La corrosión por grietas es un tipo de corrosión localizada con un mecanismo muy similar a la corrosión por picaduras. [52]

Corrosión bajo tensión

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El agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) es el crecimiento de una grieta en un ambiente corrosivo . [53] Requiere que se produzcan tres condiciones: 1) ambiente corrosivo 2) estrés 3) material susceptible. El SCC puede provocar fallas repentinas e inesperadas y, por lo tanto, catastróficas, de metales normalmente dúctiles bajo tensión de tracción . Esto suele agravarse con temperaturas elevadas. El SCC es altamente específico químicamente en el sentido de que es probable que ciertas aleaciones experimenten SCC solo cuando se exponen a una pequeña cantidad de ambientes químicos. Es común que el SCC pase desapercibido antes de fallar. El SCC generalmente progresa con bastante rapidez después del inicio inicial de la grieta y se observa con mayor frecuencia en aleaciones que en metales puros. Por tanto, el ingeniero de corrosión debe ser consciente de este fenómeno. [54]

Corrosión filiforme

La corrosión filiforme puede considerarse como un tipo de corrosión por grietas y, a veces, se observa en metales recubiertos con una capa orgánica ( pintura ). [55] [56] La corrosión filiforme es inusual porque no debilita ni destruye la integridad del metal, sino que solo afecta la apariencia de la superficie. [57]

Corrosión filiforme sobre aluminio pintado.

Fatiga por corrosión

Esta forma de corrosión suele ser causada por una combinación de corrosión y tensión cíclica. [58] Medir y controlar esto es difícil debido a los muchos factores en juego, incluida la naturaleza o forma del ciclo de estrés. Los ciclos de estrés provocan un endurecimiento laboral localizado . Por lo tanto, evitar concentradores de tensión, como agujeros, etc., sería un buen diseño de ingeniería de corrosión. [59] [60]

lixiviación selectiva

Esta forma de corrosión se produce principalmente en aleaciones metálicas. El metal menos noble de la aleación se lixivia selectivamente de la aleación. La eliminación del zinc del latón es un ejemplo más común. [61]

Corrosión microbiana

Ahora se sabe que la biocorrosión, la bioincrustación y la corrosión causada por organismos vivos tienen una base electroquímica . [62] [63] Se sabe que otras criaturas marinas como mejillones, gusanos e incluso esponjas degradan materiales de ingeniería. [64] [65]

Daño por hidrógeno

El daño por hidrógeno es causado por los átomos de hidrógeno (a diferencia de las moléculas de hidrógeno en estado gaseoso) que interactúan con el metal. [66]

Corrosión por erosión

La corrosión por erosión es una forma de daño por corrosión generalmente en una superficie metálica causada por la turbulencia de un líquido o sólido que contiene líquido y la superficie metálica. [67] El aluminio puede ser particularmente susceptible debido al hecho de que la capa de óxido de aluminio que brinda protección contra la corrosión al metal subyacente se erosiona. [68] [69]

Fragilización por hidrógeno

Este fenómeno describe daños al metal (casi siempre hierro o acero) a baja temperatura por hidrógeno difusible . [66] El hidrógeno puede fragilizar varios metales y el acero es uno de ellos. Suele ocurrir con aceros más duros y de mayor resistencia a la tracción. [70] [71] La leva de hidrógeno también fragiliza el aluminio a altas temperaturas. [72] ). El titanio y sus aleaciones también son susceptibles. [73]

Corrosión a alta temperatura

La corrosión a alta temperatura ocurre típicamente en ambientes que tienen calor y productos químicos [74], como fuentes de combustible de hidrocarburos, pero también otros productos químicos permiten esta forma de corrosión. Por lo tanto, puede ocurrir en calderas, motores de automóviles impulsados ​​por diésel o gasolina, hornos de producción de metales y chimeneas de antorchas de la producción de petróleo y gas. También se incluiría la oxidación de metales a alta temperatura. [75] [76]

Corrosión interna

La corrosión interna es ocasionada por los efectos combinados y la gravedad de cuatro modos de deterioro del material, a saber: corrosión general, corrosión por picaduras, corrosión microbiana y corrosividad de fluidos. [77] Los mismos principios de control de la corrosión externa se pueden aplicar a la corrosión interna, pero debido a la accesibilidad, los enfoques pueden ser diferentes. Por tanto, se utilizan instrumentos especiales para el control y la inspección de la corrosión interna que no se utilizan en el control de la corrosión externa. Para las inspecciones internas se utilizan videoscopios de tuberías y pigs inteligentes de alta tecnología. Los pigs inteligentes pueden insertarse en un sistema de tuberías en un punto y "atraparse" más adelante en la línea. El uso de inhibidores de corrosión, selección de materiales y revestimientos internos se utilizan principalmente para controlar la corrosión en las tuberías, mientras que los ánodos junto con los revestimientos se utilizan para controlar la corrosión en los tanques.

Los desafíos de corrosión interna se aplican a lo siguiente, entre otros: [78] Tuberías de agua; Tubos de gas; Tuberías de petróleo y depósitos de tanques de agua. [79]

Buen diseño para prevenir situaciones de corrosión.

La ingeniería de corrosión implica un buen diseño. [80] [81] [82] El uso de un borde redondeado en lugar de un borde agudo reduce la corrosión. [83] Además, la mejor práctica es no acoplar mediante soldadura u otro método de unión dos metales diferentes para evitar la corrosión galvánica. [78] Evitar tener un ánodo pequeño (o material anódico) junto a un cátodo grande (o material catódico) es una buena práctica. Por ejemplo, el material de soldadura siempre debe ser más noble que el material circundante. La corrosión en los tanques de lastre de los buques marinos puede ser un problema si no se lleva a cabo un buen diseño. [84] Otros ejemplos incluyen diseños simples como el espesor del material. En una situación de corrosión conocida, el material puede simplemente hacerse más grueso, por lo que tardará mucho más en corroerse. [85]

Corrosión en la junta - mal diseño

Selección de materiales para prevenir situaciones de corrosión.

La correcta selección del material por parte del ingeniero de diseño afecta la vida útil de diseño de una estructura. A veces el acero inoxidable no es la elección correcta y el acero al carbono sería mejor. [86] Existe la idea errónea de que el acero inoxidable tiene una excelente resistencia a la corrosión y no se corroe. Este no es siempre el caso y no debe usarse para manipular soluciones desoxigenadas, por ejemplo, ya que el acero inoxidable depende del oxígeno para mantener la pasivación y también es susceptible a la corrosión por grietas. [87]

La galvanización o galvanización en caliente se utiliza para recubrir el acero con una capa de zinc metálico. [88] A menudo se añade plomo o antimonio al baño de zinc fundido, [89] y también se han estudiado otros metales. [90] [91] [92] [93]

Controlar el entorno para prevenir situaciones de corrosión.

Un ejemplo de control del medio ambiente para prevenir o reducir la corrosión es la práctica de almacenar aviones en los desiertos . Estos lugares de almacenamiento suelen denominarse cementerios de aviones . El clima suele ser árido por lo que éste y otros factores lo convierten en un entorno ideal. [94] [95] [96]

Uso de inhibidores de corrosión para prevenir la corrosión.

Un inhibidor suele ser un material agregado en una pequeña cantidad a un ambiente particular que reduce la tasa de corrosión. [97] [98] Pueden clasificarse de varias maneras, pero generalmente son 1) Oxidantes; 2) búsqueda de basura; 3) inhibidores en fase de vapor; [99] A veces se les llama inhibidores de corrosión volátiles 4) inhibidores de adsorción; [100] 5) Retardador de la evolución de hidrógeno. [101] Otra forma de clasificarlos es químicamente. [102] A medida que hay más preocupación por el medio ambiente y la gente está más interesada en utilizar recursos renovables , se están realizando investigaciones para modificar estos materiales para que puedan usarse como inhibidores de la corrosión. [103]

Uso de recubrimientos para prevenir la corrosión.

Un recubrimiento o pintura suele ser un recubrimiento fluido aplicado a una superficie en contacto con una situación corrosiva como la atmósfera. [104] [105] La superficie generalmente se llama sustrato . En aplicaciones de prevención de la corrosión, el propósito de aplicar el recubrimiento es principalmente funcional más que decorativo. [106] Las pinturas y lacas son revestimientos que tienen el doble uso de proteger el sustrato y ser decorativos, pero la pintura en grandes tuberías industriales, además de prevenir la corrosión, también se utiliza para la identificación, por ejemplo, el rojo para el control de incendios, etc. [107] Recubrimientos funcionales se puede aplicar para cambiar las propiedades de la superficie del sustrato, como adherencia , humectabilidad , resistencia a la corrosión o resistencia al desgaste. [108] En la industria del automóvil, los recubrimientos se utilizan para controlar la corrosión pero también por razones estéticas. [109] Los recubrimientos también se utilizan ampliamente en entornos marinos para controlar la corrosión en un entorno oceánico. [110] [111] La corrosión eventualmente atravesará un recubrimiento y, por lo tanto, tendrá una vida útil antes del mantenimiento. [112] [113]

Patrones de óxido concéntricos rompiendo una superficie pintada

Ver también

Referencias

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