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Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001, Septiembre de 2001
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CORROSION DE CONDUCTORES DE COBRE EN SUELOS DOPADOS
CON ADITIVOS SEMICONDUCTORES Y SALINOS, PARA EL
MEJORAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
a
b
b
G.E. Matamala , J.A. Carranza , S.E. Jara
a
Universidad de Concepción, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería
Metalúrgica, Edmundo Larenas 270, Barrio Universitario, Concepción, Chile
b
Universidad de Concepción, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Eléctrica,
Edificio Central Facultad de Ingeniería, Barrio Universitario, Concepción, Chile
RESUMEN
El presente trabajo muestra el comportamiento de conductores de cobre ASTM 11000
utilizados tradicionalmente en los Sistemas de Puesta a Tierra (SPAT) de infraestructuras
eléctricas, frente a la corrosión en suelos dopados con aditivos semiconductores y salinos,
empleados como una interfase suelo-conductor para mejorar las transferencias de corrientes
entre estos.
Los resultados obtenidos mostraron grandes disminuciones en los valores de
resistividades eléctricas de los cuatro aditivos ensayados, al aumentar su contenido de
humedad. También se observó que el pH de los aditivos en soluciones acuosas no varía
sustancialmente para concentraciones superiores al 5% en peso de los aditivos. Frente a estos
resultados se procedió a medir los potenciales y corrientes de corrosión del cobre en
soluciones acuosas al 7.7% en peso de los aditivos, extrapolándose una estimación de la vida
útil del conductor laminar de cobre ASTM 11000 fleje 70x1 mm, que se usa en instalaciones
de puesta a tierra.
Palabras claves
Jornadas, SAM - CONAMET 2001, Sistemas de puesta a tierra, Corrosión del cobre, Suelos
dopados, Aditivos semiconductores, Aditivos salinos
INTRODUCCION
El alto desarrollo tecnológico alcanzado en la microelectrónica, ha llevado a la oferta de
equipos altamente sensitivos y susceptibles a perturbaciones electromagnéticas, en áreas como
la medicina, la banca, los sistemas de telecomunicaciones, etc. A su vez, la transmisión y
distribución de energía eléctrica por su vital importancia en todos los procesos productivos,
debe poseer una alta confiabilidad. Las variaciones climáticas a nivel mundial como el
fenómeno del Niño y la Niña, han contribuido a un aumento en la actividad ceraúnica
mundial, afectando los requerimientos técnicos que deben cumplir los sistemas de puesta a
tierra, en el sentido de ser cada vez más eficientes.
Un sistema de puesta a tierra es un arreglo geométrico o topológico de conductores que
se entierra en el subsuelo, con la finalidad de transferir las corrientes de fallas hacia éste[1,2],
el cual tiene como requerimiento principal poseer un bajo valor de impedancia de puesta a
tierra[3,4]. Al requerimiento impuesto por las tecnologías semiconductoras de bajo umbral de
operación[5-7] y estándares internacionales[8-15], se suma la autonomía o vida útil del
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Matamala, Carranza y Jara
sistema, que guarda directa relación con la agresividad del subsuelo manifestada a través de la
corrosión de los conductores allí enterrados[16].
Simulando la situación de un subsuelo real, en el trabajo desarrollado en laboratorio se
pudo obtener una mayor eficiencia en la transferencia de corrientes a éste, a través de mejorar
la interfase suelo-conductor y realizar una estimación de la vida útil de los conductores de
cobre ASTM 11000 fleje 70x1 mm[17].
METODOLOGIAS DE LABORATORIO
Medición de resistividad eléctrica específica
Las mediciones de resistividad eléctrica específica se realizaron con cuatro aditivos
comerciales y con arena, los cuales fueron previamente secados con la finalidad de que la
condición inicial de humedad de las muestras fuera de un 0%. Posteriormente se procedió a
variar la humedad de los aditivos agregando agua de 5 en 5 gramos y realizando la medición
de resistividad eléctrica correspondiente, para lo cual se utilizó la unidad transmisora de
voltaje alterno Soiltest R-60 Earth Resistivity Meter, los multímetros digitales Fluke 87 y
Wavetek 2030 y la probeta estándar de ensayo Mc Miller.
Medición de pH
La determinación del pH se hizo también en los cuatro aditivos comerciales,
realizándose mediciones en soluciones acuosas con distintas concentraciones de aditivos en
peso, a una temperatura constante de 20ºC. Lo anterior se logró manteniendo la solución
acuosa en constante agitación, agregando el aditivo a la solución hasta que el pH de estas no
variara más allá de un 0,1% respecto a la medición anterior. Para ello se utilizó un medidor
portátil de pH modelo 230-A marca Orion y un termómetro digital YEW tipo 2573.
Medición de potencial y corriente de corrosión del cobre
Se realizaron mediciones de potencial y corriente de corrosión del cobre en los cuatro
aditivos comerciales, para lo cual se utilizó un potenciostato-galvasnostato EG&G PAR
modelo 273, generando barridos potenciodinámicos de 0.25 mV/s entre ± 50 mV respecto al
potencial de corrosión del cobre determinado con un electrodo de calomel saturado como
referencia. La cuantificación de la corriente de corrosión y potencial de corrosión, se obtuvo
con apoyo computacional de los puntos obtenidos, mediante análisis de pendientes de Tafel y
polarización por resistencia. Los barridos de potencial se hicieron en suspensiones acuosas de
7.7% de sólidos del aditivo, estas experiencias representan a un suelo saturado con aditivo,
dado que el pH de la dispersión no cambia con mayores contenidos de aditivo.
RESULTADOS
A los aditivos ensayados con reservas de nombres comerciales, se les determinó la
resistividad eléctrica específica con y sin contenido de agua, el pH que estos aditivos
establecían en soluciones acuosas, así como la cuantificación de la velocidad y potencial de
corrosión del cobre en ellos. Los componentes principales de los aditivos, se describen en la
Tabla 1 y en los resultados que se exponen a continuación:
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Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001
Tabla 1. Aditivos ensayados
Aditivo 1
Bentonita
Aditivo 2
Sulfato de Calcio
Aditivo 3
Gel
Aditivo 4
Semiconductor
Resistividad eléctrica específica
Las resistividades eléctricas específicas de los aditivos puros tanto en seco como con
10% de humedad, al igual que el porcentaje de variación que se produce en la resistividad al
aumentar el contenido de agua en el aditivo, se muestra en la Tabla 2.
Tabla 2. Resistividades eléctricas específicas de los aditivos,
en seco y con 10% de humedad.
Aditivos
Resistividad en
Resistividad (10% agua)
% de
Variación
seco Ω-m
Ω-m
Arena
5980
532.5
- 91.1
Aditivo 1
368
12.9
- 96.5
Aditivo 2
6666
53.1
- 99.2
Aditivo 3
10050
12.4
- 99.9
Aditivo 4
2.5
0.54
- 78.4
La evolución de la resistividad eléctrica de los aditivos en función de la humedad, se
muestra en la Figura 1.
Resistividad Eléctrica (Ohm-m)
10000,00
1000,00
Arena
100,00
Aditivo1
Aditivo2
Aditivo3
10,00
Aditivo4
1,00
0,10
0
5
10
15
20
(%) Humedad
Figura 1. Evolución de las resistividades eléctricas específicas de los aditivos
en función de la humedad
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Matamala, Carranza y Jara
De estas mediciones se desprende que la arena presentó un alto valor de resistividad
eléctrica específica en seco, lo cual se debe a que la conducción que se realiza bajo estas
condiciones, es solamente a través de los puntos de tangencia de los granos. Al agregar agua a
la arena los espacios intersticiales se llenan, permitiendo que la conducción se lleve a cabo a
través de los puntos de tangencia de los granos y del agua, produciendo por lo tanto una
disminución de la resistividad eléctrica de ese medio.
El aditivo 1 presentó un valor bajo de resistividad eléctrica específica de 368 Ω-m con
un 0% de humedad, debido a que está formado con láminas cargadas eléctricamente, que
facilitan de esta forma la conducción de corriente. Al agregarle agua a este aditivo, la
resistividad eléctrica disminuye un 96.5%, dado que la composición química del aditivo 1
presenta sales, las cuales generan iones en presencia del agua. Este aditivo también presentó
claras características higroscópicas al absorber una gran cantidad de agua en un pequeño
volumen.
El aditivo 2 (6666 Ω-m) y el aditivo 3 (10050 Ω-m) cuyas altas resistividades en seco se
muestran entre paréntesis, con un 10% de humedad sus valores disminuyen un 99.2% y
99.9% respectivamente. Esto se debe a que el aditivo 2 es una sal y el aditivo 3 es un gel
compuesto de silicatos dobles de aluminio y magnesio, luego la conducción de ambos es
netamente iónica.
El aditivo 4 es un compuesto de cementos hidráulicos extremadamente bajo en sulfatos
y cloruros, presenta la menor resistividad eléctrica específica en seco, incluso menor que los
otros aditivos ensayados con un 10% de humedad. La explicación sería que el aditivo 4 posee
características semiconductoras, a diferencia de los otros aditivos en que su conducción
principal es iónica. La disminución en la resistividad eléctrica que se produce al aumentar su
contenido de agua, se debe a la presencia de sales en su composición química, lo que permite
una conducción electrónica e iónica a la vez.
Se observa que la resistividad eléctrica de todos los aditivos estudiados, es más sensible
en la zona en la cual su contenido de humedad es menor. Al seguir agregando agua esta
sensibilidad disminuye, para llegar a una zona sin alteraciones, lo cual se explica porque todos
los aditivos poseen cierta cantidad de sales.
pH
Las mediciones de pH tuvieron la finalidad de ver la evolución de éste en soluciones
acuosas y por ende determinar una concentración representativa de un suelo saturado en
aditivo que permitiera realizar las mediciones de potencial y corriente de corrosión. Cabe
destacar que en general al agregar agua al aditivo, se forma un producto sólido como cemento
que destruiría los electrodos de referencia usados en los equipos electroquímicos. La Tabla 3
muestra los niveles de pH para concentraciones en soluciones acuosas de aditivo de un 7.7% y
17.24% en peso, concentraciones que mantienen una suspensión del aditivo sin solidificar,
permitiendo medidas electroquímicas representativas de un suelo saturado con aditivo.
Tabla 3. Niveles de pH de los aditivos en soluciones acuosas
a un 7.7% y 17.24% en peso
Aditivo
pH 7.7%
pH 17.24%
% variación
Aditivo 1
8.41
8.27
1.66
Aditivo 2
7.26
7.09
2.34
Aditivo 3
5.74
5.46
4.88
Aditivo 4
10.86
10.86
0
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La evolución del pH de las soluciones acuosas de los aditivos en función de su
concentración, se muestra en la Figura 2. De los resultados de esta medición se desprende que
los cuatro aditivos ensayados tendieron a estabilizar su valor de pH, después de agregar un
3% de aditivo en peso. El aditivo 1 y 4 presentan pH básicos, el aditivo 3 un pH ácido y el
aditivo 2 un pH neutro. Dada la estabilización de los pH, las mediciones de potencial y
corriente de corrosión a una concentración de la solución de 7.7% en peso de los aditivos, son
representativos de situaciones reales.
12,00
11,00
10,00
pH
9,00
Aditivo3
Aditivo1
8,00
Aditivo2
Aditivo4
7,00
6,00
5,00
4,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
(%) Aditivo Peso
Figura 2. Evolución del pH de soluciones acuosas de los aditivos en función de su
concentración
Potencial y Corriente de Corrosión
Se midieron los potenciales y corrientes de corrosión con un electrodo de calomel
saturado (ECS) en soluciones acuosas al 7.7% en peso de los aditivos, según el método
descrito en la sección anterior. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 4, los
potenciales de corrosión se han llevado también a la escala normal de hidrógeno (ENH).
Tabla 4. Características de pH, Potencial de Corrosión (ECS y ENH) y Corriente
de Corrosión de los aditivos en solución acuosa al 7,7 % en peso.
Aditivo
pH
Corriente
Potencial Corrosión
Corrosión
mV(ECS)
mV(ENH)
µA/cm2
Aditivo 1
8,41
2,2
-79
+162
Aditivo 2
7,26
1,4
-116
+125
Aditivo 3
5,78
51,7
-36
+205
Aditivo 4
10,86
1,5
-204
+37
La Figura 3 muestra en el diagrama termodinámico de Pourbaix los resultados de pH y
potencial de corrosión de los aditivos llevados al electrodo normal de hidrógeno (ENH), lo
cual indica que el cobre en los aditivos se encuentra en distintas zonas del diagrama,
abarcando áreas de corrosión activa y áreas de pasivación.
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Matamala, Carranza y Jara
Con las corrientes de corrosión obtenidas experimentalmente y usando la ley de
Faraday, se puede estimar la vida útil del fleje de cobre 70x1 mm, tal como se muestra en la
Tabla 5.
Tabla 5. Vida útil del cobre en los aditivos
Aditivo
Vida útil (años)
Aditivo 1
37.9
Aditivo 2
66.2
Aditivo 3
1.5
Aditivo 4
54.2
Figura 4. Posición en el diagrama de Pourbaix del cobre en los aditivos
CONCLUSIONES
De los resultados obtenidos se concluye que los aditivos deben ser humectados en forma
regular, ya sea de manera natural, gravitacional o controlada, para que cumplan con el
objetivo de disminuir el valor de resistencia del sistema de puesta a tierra.
Los aditivos que trabajan en la zona de corrosión del cobre, como es el aditivo 3,
proporcionan una buena conducción eléctrica, pero con una corta vida útil del sistema de
puesta a tierra.
Pese a que trabajar con el cobre en una zona de pasivación del metal, tendería a
pensarse en un aumento de los valores de resistencia, los resultados experimentales indican lo
contrario. De todas maneras se recomienda verificar los resultados de resistencia en forma
real, dado que con un mayor tiempo de permanencia, los productos de corrosión del cobre
formados in situ, debieran proporcionar una mayor resistencia en el sistema conductor.
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Matamala, Carranza y Jara
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