Campo de la ingeniería que se ocupa del diseño de materiales que resistan la corrosión.
La ingeniería de corrosión es una especialidad de ingeniería que aplica habilidades científicas, técnicas, de ingeniería y conocimiento de las leyes naturales y los recursos físicos para diseñar e implementar materiales, estructuras, dispositivos, sistemas y procedimientos para gestionar la corrosión . [1]
Desde una perspectiva holística, la corrosión es el fenómeno por el cual los metales vuelven al estado en el 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 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 los cerámicos, el cemento , los materiales compuestos y los materiales conductores como el carbono y el grafito. Los ingenieros de corrosión a menudo gestionan otros procesos no estrictamente relacionados con la corrosión, incluidos (pero no se limitan a) el agrietamiento, la fractura frágil, el agrietamiento, el frotamiento, la erosión y, más típicamente, la categorización de la 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. eran de casi 300 mil millones de dólares por año. [6] Esto confirmó informes anteriores sobre daños a la economía mundial causados por la corrosión.
Zaki Ahmad, en su libro Principles of corrosion engineering and corrosion control , 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 et al. sugieren lo mismo en su gran trabajo de dos volúmenes titulado 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 recubrimiento de estructuras caen dentro del régimen de la 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 para producir nuevos y mejores métodos de protección de vez en cuando. Esto puede incluir el uso de inhibidores de corrosión . En el Handbook of corrosion engineering , el autor Pierre R. Roberge afirma que "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 estimó que una tonelada de metal se convertía completamente en óxido cada noventa segundos en el Reino Unido. [10] También hay un costo en vidas humanas. Los fallos, ya sean catastróficos o de otro tipo, debidos a la corrosión, han costado vidas humanas. [11]
Ingeniería de corrosión y sociedades y asociaciones de corrosión
Los ingenieros y consultores de corrosión tienden a especializarse en escenarios de corrosión interna o externa. En ambos, pueden proporcionar recomendaciones de control de corrosión, investigaciones de análisis de fallas, vender productos de control de corrosión o proporcionar instalación o diseño de sistemas de control y monitoreo de corrosión. [7] [12] [13] [14] [15] Cada material tiene su debilidad. El aluminio , los recubrimientos galvanizados/de zinc, el latón y el cobre no sobreviven bien en entornos de pH muy alcalinos o muy ácidos. El cobre y los latones no sobreviven bien en entornos con alto contenido de nitrato o amoníaco . Los aceros al carbono y el hierro no sobreviven bien en entornos de baja resistividad del suelo y alto contenido de cloruro. [16] Los entornos con alto contenido de cloruro pueden incluso superar y atacar al acero revestido de hormigón normalmente protector. El hormigón no sobrevive bien en entornos con alto contenido de sulfato y ácido. 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 recogen muestras de suelo para probar la química del suelo en busca de factores corrosivos como el pH, la resistividad mínima del suelo, cloruros, sulfatos, amoníaco , nitratos, sulfuro y potencial redox. [19] [20] Recogen 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 clavijas de Wenner si se realiza a menudo para juzgar la corrosividad de un sitio. Sin embargo, durante un período seco, la prueba puede no mostrar la corrosividad real, ya que la condensación subterránea puede dejar el suelo en contacto con superficies metálicas enterradas más húmedo. Es por eso que medir la resistividad mínima o saturada de un suelo es importante. La prueba de resistividad del suelo por sí sola no identifica elementos corrosivos. [21] Los ingenieros de corrosión pueden investigar ubicaciones que experimentan corrosión activa utilizando métodos de estudio sobre el suelo y diseñar sistemas de control de corrosión como la protección catódica para detener o reducir la tasa de corrosión. [22]
Los ingenieros geotécnicos no suelen practicar 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, según la tabla de categorización de corrosividad del suelo que lean. Desafortunadamente, una antigua granja lechera puede tener resistividades del suelo superiores a 3000 ohm-cm y aún así contener niveles corrosivos de amoníaco y nitrato que corroen las tuberías de cobre o las varillas de puesta a tierra. Un dicho general sobre la corrosión es: "Si el suelo es excelente para la agricultura, es excelente para la corrosión".
Corrosión externa submarina
Los ingenieros de corrosión submarina aplican los mismos principios utilizados en el control de la corrosión subterránea, pero utilizan buzos especialmente capacitados y certificados para la evaluación de las condiciones y la instalación y puesta en servicio 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 las patas de las plataformas de petróleo y gas son de particular 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 se refiere generalmente a la corrosión general en un entorno no específico. La prevención de la corrosión atmosférica se maneja típicamente mediante el uso de la selección de materiales y especificaciones de recubrimientos . [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 una forma de recubrimiento. [29] Se espera que aparezcan pequeños rayones en el recubrimiento galvanizado con el tiempo. El zinc, al ser más activo en la serie galvánica, se corroe con preferencia al acero subyacente y los productos de corrosión rellenan el rayon evitando una mayor corrosión. Mientras los rayones sean finos, la humedad de condensación no debería corroer el acero subyacente siempre que tanto el zinc como el acero estén en contacto. Mientras haya humedad, el zinc se corroe y finalmente desaparece. También se utiliza la protección catódica por corriente impresa . [30]
Zona de salpicaduras y corrosión por pulverización de agua
La definición habitual de zona de salpicaduras es el área que se encuentra justo por encima y por 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 jardinería rayan los revestimientos de las cercas y a que los aspersores de riego rocían estas cercas dañadas. El agua reciclada normalmente tiene un contenido de sal más alto que el agua potable, lo que significa que es más corrosiva que el agua corriente normal. El mismo riesgo de daño y rociado de agua existe para las tuberías sobre el suelo y los dispositivos antirreflujo. Las cubiertas de fibra de vidrio, las jaulas y las bases de hormigón han funcionado bien para mantener las herramientas a una distancia de un brazo. Incluso el lugar donde cae un desagüe del techo puede ser importante. El drenaje del valle del techo de una casa puede caer directamente sobre un medidor de gas, lo que hace que sus tuberías se corroan a un ritmo acelerado que alcanza el 50% del espesor de la pared en 4 años. Es el mismo efecto que una zona de salpicaduras en el océano o en una piscina con mucho oxígeno y agitación que elimina material a medida que se corroe. [34]
Los tanques o los tubos estructurales, como los soportes de los asientos de los bancos o las atracciones de los parques de diversiones, pueden acumular agua y humedad si la estructura no permite el drenaje. Este ambiente húmedo puede provocar corrosión interna de la estructura que afecte a su integridad. Lo mismo puede ocurrir en entornos tropicales y provocar corrosión externa. Esto incluiría la corrosión en los tanques de lastre de los barcos.
Corrosión de tuberías
Los materiales peligrosos se transportan a menudo en tuberías y, por lo tanto, su integridad estructural es de suma importancia. La corrosión de una tubería puede tener graves consecuencias. [35] Uno de los métodos utilizados para controlar la corrosión de las tuberías es el uso de recubrimientos de epoxi unidos por fusión . Se utiliza DCVG para monitorearlo. También se utiliza protección catódica por corriente impresa . [36]
Corrosión en la industria petroquímica
La industria petroquímica se enfrenta normalmente a medios corrosivos agresivos, como los sulfuros y las altas temperaturas. Por ello, el control de la corrosión y las soluciones son necesarias para la economía mundial. [37] La formación de incrustaciones en el agua de inyección presenta sus propios problemas en relación con la corrosión y, por tanto, para el ingeniero de corrosión. [38]
Corrosión en los tanques de lastre
Los tanques de lastre de los barcos contienen los combustibles para la corrosión. El agua es uno de ellos y el aire también suele estar presente y el agua puede estancarse. La integridad estructural es importante para la seguridad y para evitar la contaminación marina. Los revestimientos se han convertido en la solución preferida para reducir la cantidad de corrosión en los tanques de lastre. [39] También se ha utilizado la protección catódica por corriente impresa . [40] Asimismo, también se utiliza la 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 en 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 pasajeros, afectando así su resistencia a los choques. Otras estructuras y activos ferroviarios también pueden verse afectados. La Permanent Way Institution 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 Liverpool Lime Street. [44] [45] [46]
Corrosión galvánica
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 explota en 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 explota 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 un electrolito . [49]
Corrosión por picaduras
La corrosión por picaduras, o pitting, 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. La corrosión por picaduras, como la corrosión por grietas, puede causar una falla catastrófica con muy poca pérdida de material. La corrosión por picaduras ocurre en materiales pasivos. El mecanismo de reacción clásico se ha 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]
Agrietamiento por corrosión bajo tensión
El agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) es el crecimiento de una grieta en un ambiente corrosivo . [53] Requiere tres condiciones para que tenga lugar: 1) ambiente corrosivo 2) estrés 3) material susceptible. El SCC puede provocar una falla repentina inesperada y, por lo tanto, catastrófica de metales normalmente dúctiles bajo tensión de tracción . Esto generalmente se exacerba a temperaturas elevadas. El SCC es altamente específico químicamente en el sentido de que ciertas aleaciones probablemente experimenten SCC solo cuando se exponen a una pequeña cantidad de entornos químicos. Es común que el SCC pase desapercibido antes de la falla. El SCC generalmente progresa bastante rápido después de la iniciación de la grieta inicial y se observa con más frecuencia en aleaciones que en metales puros. Por lo tanto, el ingeniero de corrosión debe ser consciente de este fenómeno. [54]
Corrosión filiforme
La corrosión filiforme puede considerarse 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]
Fatiga por corrosión
Esta forma de corrosión suele ser causada por una combinación de corrosión y tensión cíclica. [58] Medirla y controlarla es difícil debido a los muchos factores que intervienen, incluida la naturaleza o la forma del ciclo de tensión. Los ciclos de tensión provocan un endurecimiento por deformación localizado . Por lo tanto, evitar los concentradores de tensión, como los agujeros, 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 de forma selectiva. La eliminación del cinc del latón es un ejemplo más común. [61]
Corrosión microbiana
Ahora se sabe que la biocorrosión, la bioincrustación y la corrosión causadas 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]
Daños por hidrógeno
El daño por hidrógeno es causado por 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 que se presenta generalmente en una superficie metálica debido a la turbulencia de un líquido o un sólido que contiene líquido y la superficie del metal. [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 el daño al metal (casi siempre hierro o acero) a baja temperatura por hidrógeno difusible . [66]
El hidrógeno puede hacer quebradizos varios metales y el acero es uno de ellos. Suele ocurrir en aceros más duros y con mayor resistencia a la tracción. [70] [71] El hidrógeno también puede hacer quebradizo el aluminio a altas temperaturas. [72] ). El titanio metálico y las aleaciones también son susceptibles. [73]
Corrosión a alta temperatura
La corrosión a alta temperatura ocurre típicamente en ambientes que tienen calor y sustancias químicas [74] como fuentes de combustible de hidrocarburos, pero también otras sustancias químicas que 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 producción de petróleo y gas. También se incluiría la oxidación a alta temperatura de los metales. [75] [76]
Corrosión interna
La corrosión interna es ocasionada por los efectos combinados y la severidad 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 corrosión externa se pueden aplicar a la corrosión interna pero debido a la accesibilidad, los enfoques pueden ser diferentes. Por lo tanto, se utilizan instrumentos especiales para el control e inspección de la corrosión interna que no se utilizan en el control de la corrosión externa. La videoobservación de tuberías y raspadores inteligentes de alta tecnología se utilizan para las inspecciones internas. Los raspadores inteligentes se pueden insertar en un sistema de tuberías en un punto y "atrapar" mucho más abajo en la línea. El uso de inhibidores de corrosión, estudios de selección de materiales y recubrimientos internos se utilizan principalmente para controlar la corrosión en tuberías, mientras que los ánodos junto con los recubrimientos se utilizan para controlar la corrosión en tanques. El cálculo de corrosión en profundidad se realiza durante los estudios de selección de materiales, y hay muchos modelos de corrosión diferentes y métodos de cálculo (software) que prevalecen en la industria, es decir, ECE, Predict, De Waard, Norsok M-506, etc.
Los problemas de corrosión interna se aplican, entre otros, a los siguientes: [78] Tuberías de agua; Tuberías de gas; Tuberías de petróleo y Depósitos de agua. [79] [80] [81]
Buen diseño para evitar situaciones de corrosión.
La ingeniería de corrosión implica un buen diseño. [82] [83] [84] El uso de un borde redondeado en lugar de un borde agudo reduce la corrosión. [85] 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) al lado de 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 realiza un buen diseño. [86] Otros ejemplos incluyen un diseño simple como el espesor del material. En una situación de corrosión conocida, el material puede simplemente hacerse más grueso para que tarde mucho más en corroerse. [87]
Selección de materiales para prevenir situaciones de corrosión
La selección correcta del material por parte del ingeniero de diseño afecta la vida útil de una estructura o tubería, lo cual es muy relevante en la industria del petróleo y el gas. A veces, el acero inoxidable no es la opción correcta y sería mejor el acero al carbono. [88] Existe la idea errónea de que el acero inoxidable tiene una excelente resistencia a la corrosión y no se corroe. Este no siempre es el caso y no se debe utilizar 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. [89]
La galvanización o galvanización por inmersión en caliente se utiliza para recubrir el acero con una capa de zinc metálico. [90] A menudo se añade plomo o antimonio al baño de zinc fundido, [91] y también se han estudiado otros metales. [92] [93] [94] [95]
Control del medio ambiente para prevenir situaciones de corrosión
Un ejemplo de control del medio ambiente para prevenir o reducir la corrosión es la práctica de almacenar aeronaves en desiertos . Estos lugares de almacenamiento suelen denominarse cementerios de aviones . El clima suele ser árido, por lo que este y otros factores lo convierten en un entorno ideal. [96] [97]
Uso de inhibidores de corrosión para prevenir la corrosión.
Un inhibidor es generalmente un material añadido en una pequeña cantidad a un entorno particular que reduce la tasa de corrosión. [98] [99] Se pueden clasificar de varias maneras, pero por lo general son 1) Oxidantes; 2) Depuradores; 3) Inhibidores en fase de vapor; [100] A veces se les llama inhibidores de corrosión volátiles 4) Inhibidores de adsorción; [101] 5) Retardadores de evolución de hidrógeno. [102] Otra forma de clasificarlos es químicamente. [103] Como hay más preocupación por el medio ambiente y las personas están más interesadas en utilizar recursos renovables , hay investigaciones en curso para modificar estos materiales para que puedan usarse como inhibidores de corrosión. [104]
Uso de recubrimientos para prevenir la corrosión
Un revestimiento o pintura es generalmente un recubrimiento aplicado con fluido sobre una superficie en contacto con una situación corrosiva como la atmósfera. [105] [106] La superficie se suele llamar sustrato . En aplicaciones de prevención de la corrosión, el propósito de aplicar el revestimiento es principalmente funcional en lugar de decorativo. [107] Las pinturas y lacas son revestimientos que tienen un doble uso: proteger el sustrato y ser decorativos, pero la pintura en tuberías industriales grandes, además de prevenir la corrosión , también se utiliza para identificación, por ejemplo, rojo para el control de incendios, etc. [108] Los revestimientos funcionales se pueden aplicar para cambiar las propiedades de la superficie del sustrato, como la adhesión , la humectabilidad , la resistencia a la corrosión o la resistencia al desgaste. [109] En la industria automotriz, los revestimientos se utilizan para controlar la corrosión, pero también por razones estéticas. [110] Los revestimientos también se utilizan ampliamente en entornos marinos para controlar la corrosión en un entorno oceánico. [111] [112] La corrosión eventualmente atravesará un revestimiento y, por lo tanto, tendrá una vida útil de diseño antes del mantenimiento. [113] [114]
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